具有图案化折射率调制的表面浮雕光栅和制造方法与流程

具有图案化折射率调制的表面浮雕光栅和制造方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年6月20日提交的美国申请第16/447,095号的优先权，该申请的内容以其整体通过引用并入本文以用于全部目的。
技术领域
3.本公开总体上涉及用于制造表面浮雕结构的技术，诸如在基于波导的近眼显示系统中使用的直的或倾斜的表面浮雕光栅。
4.背景
5.人工现实系统(诸如头戴式显示器(hmd)或平视显示器(hud)系统)通常包括被配置成呈现描绘虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。如在虚拟现实(vr)、增强现实(ar)或混合现实(mr)应用中，显示器可以显示虚拟对象或者将真实对象的图像与虚拟对象组合。例如，在ar系统中，用户可以例如通过透过透明显示眼镜或透镜进行观看(通常称为光学透视(optical see-through))或者通过观看由照相机捕获的周围环境的显示图像(通常称为视频透视)，来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(cgi))和周围环境。
6.光学透视ar系统的一个示例可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以被耦合到波导(例如，基板)中，在波导内传播，并且在不同的位置处从波导耦合出去。在一些实现中，可以使用诸如直的或倾斜的表面浮雕光栅的衍射光学元件将投影图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。表面浮雕光栅的参数(诸如光栅周期、占空比、深度、倾斜角、折射率调制和复用光栅的数量)可能需要调整，并且可能需要在表面浮雕光栅的整个区域上单独或组合变化，以便实现期望的性能，诸如宽视场、宽光学带宽、高效率、光瞳扩展、较少的伪像和期望的角度选择性。以高制造速度和高产量制造具有期望的光栅参数的表面浮雕光栅仍然是具有挑战性的任务。
7.概述
8.本公开总体上涉及用于制造表面浮雕结构的技术，诸如在基于波导的近眼显示系统中使用的直的或倾斜的表面浮雕光栅。更具体地，但不限于此，本文公开了使用纳米压印和选择性固化技术制造具有图案化折射率调制的表面浮雕结构的技术，该图案化折射率调制可以在一维、二维或三维上变化。本文描述了各种发明性实施例，包括方法、系统、设备等。
9.根据某些实施例，一种方法可以包括：在有机材料层中压印包括多个光栅脊的表面浮雕结构，该有机材料层包括含有单体的光敏基础树脂；生成包括亮区和暗区的光图案；以及将表面浮雕结构暴露于光图案，以聚合多个光栅脊的在亮区中的一组光栅脊中的单体，并增加多个光栅脊的在亮区中的该组光栅脊的折射率。
10.在该方法的一些实施例中，光图案的强度可以在一维、二维或三维上变化。在一些实施例中，生成光图案可以包括通过在光束的横截面中具有均匀强度的光束照射光掩模或衍射光学器件，或者使用两个相干光束生成干涉图案。在一些实施例中，光图案可以包括会聚光图案，并且光图案可以在多个光栅脊的在亮区中的该组光栅脊中具有最高强度。
11.在一些实施例中，该方法还可以包括生成第二光图案，并将表面浮雕结构暴露于第二光图案。在一些实施例中，该方法还可以包括在有机材料层上沉积包覆层(overcoat layer)，其中该包覆层可以填充多个光栅脊之间的区域，并且具有不同于该组光栅脊的折射率的折射率。
12.根据某些实施例，用于显示系统的表面浮雕光栅可以包括聚合物层，该聚合物层包括多个光栅脊。多个光栅脊可以包括以第一折射率为特征的第一组光栅脊，以及与第一组光栅脊交错并以不同于第一折射率的第二折射率为特征的第二组光栅脊。在一些实施例中，表面浮雕光栅还可以包括包覆材料层，该包覆材料层在聚合物层上并填充多个光栅脊之间的区域。
13.在一些实施例中，聚合物层可以包括折射率大于1.7的纳米粒子。
14.在表面浮雕光栅的一些实施例中，多个光栅脊可以包括倾斜的光栅脊。在一些实施例中，多个光栅脊还可以包括与第一组光栅脊和第二组光栅脊交错的第三组光栅脊，该第三组光栅脊的特征在于不同于第一折射率和第二折射率的第三折射率。在一些实施例中，第一组光栅脊和第二组光栅脊可以根据一维图案分布在聚合物层中。在一些实施例中，第一组光栅脊和第二组光栅脊可以根据二维图案分布在聚合物层中。在一些实施例中，第一折射率和第二折射率之间的差可以大于0.01。在一些实施例中，可以使用纳米压印光刻工艺将多个光栅脊压印在聚合物层中。在一些实施例中，多个光栅脊可以被配置成将光耦合到显示系统中的波导中或从显示系统中的波导耦合出去。
15.根据某些实施例，用于将光耦合到波导显示器中或从波导显示器耦合出去的表面浮雕光栅可以包括聚合物层，该聚合物层包括多个光栅脊，该多个光栅脊包括第一组光栅脊。第一组光栅脊中的每个光栅脊可以包括第一层和第二层。第一层和第二层可以具有不同的折射率。表面浮雕光栅还可以包括包覆材料层，该包覆材料层在聚合物层上并填充多个光栅脊之间的区域。
16.在表面浮雕光栅的一些实施例中，第一组光栅脊中的每个光栅脊可以包括含有第一层和第二层的多个层。第一组光栅脊中的每个光栅脊的折射率可以在沿着聚合物层厚度方向的方向上变迹(apodized)。在一些实施例中，多个光栅脊还可以包括与第一组光栅脊交错的第二组光栅脊，其中第二组光栅脊可以具有的特征在于不同于第一组光栅脊的折射率分布的折射率分布。在一些实施例中，第一组光栅脊可以包括倾斜的光栅脊。
17.本概述并不旨在标识所要求保护的主题的主要特征或基本特征，也不旨在单独用于确定所要求保护的主题的范围。应当通过参考本公开内容的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解本主题。应当理解，本文中被描述为适于结合到本发明的一个方面或实施例中的任何特征都旨在可推广到本公开的任何和所有方面和实施例。下面将在所附的说明书、权利要求书和附图中更详细地描述前述内容以及其他特征和示例。
18.附图简述
19.下面参考以下附图详细描述说明性实施例。
20.图1是根据某些实施例的、包括近眼显示器的人工现实系统环境的示例的简化框图。
21.图2是用于实现本文公开的示例中的一些示例的头戴式显示器(hmd)设备形式的
近眼显示器的示例的透视图。
22.图3是用于实现本文公开的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器的简化示例的透视图。
23.图4图示了根据某些实施例的、使用波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。
24.图5图示了显示光和外部光在波导显示器示例中的传播。
25.图6图示了根据某些实施例的波导显示器中的倾斜光栅耦合器(slanted grating coupler)的示例。
26.图7a图示了基于波导的近眼显示器的示例，其中所有视场的显示光从波导显示器的不同区域均匀输出。
27.图7b图示了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光可以在波导的不同区域中以不同角度从波导显示器耦合出去。
28.图8a和图8b图示了根据某些实施例的、通过纳米压印光刻来制造倾斜的表面浮雕光栅的工艺的示例。图8a示出了模制工艺。图8b示出了脱模工艺。
29.图9a-图9d图示了根据某些实施例的、用于制造被用于制成倾斜的表面浮雕光栅的软印模的工艺的示例。图9a示出了母模。图9b图示了涂覆有软印模材料层的母模。图9c图示了用于将软印模箔层压到软印模材料层上的层压工艺。图9d图示了分层工艺，其中包括软印模箔和附接的软印模材料层的软印模从母模分离。
30.图10a-图10d图示了根据某些实施例的、用于使用软印模来制造倾斜的表面浮雕光栅的工艺的示例。图10a示出了涂覆有压印树脂层的波导。图10b示出了软印模到压印树脂层上的层压。图10c示出了软印模从压印树脂层的分层。图10d示出了在波导上形成的压印的倾斜的光栅的示例。
31.图11是图示了根据某些实施例的、使用纳米压印光刻制造倾斜的表面浮雕光栅的方法的示例的简化流程图。
32.图12a示意性示出了光固化之前的纳米压印材料层。
33.图12b示意性示出了根据某些实施例的、通过光图案固化的纳米压印材料层。
34.图12c示意性地示出了根据某些实施例的、在被光图案固化一定时间段之后的纳米压印材料层。
35.图13a图示了根据某些实施例的压印的倾斜表面浮雕结构的示例。
36.图13b图示了根据某些实施例的、具有使用掩模图案化的折射率调制的压印的倾斜表面浮雕结构的示例。
37.图14a和14b图示了根据某些实施例的、使用掩模在压印的倾斜表面浮雕结构中图案化折射率调制的方法的示例。
38.图15图示了根据某些实施例的、使用光图案在压印的倾斜表面浮雕结构中图案化折射率调制的方法的示例。
39.图16图示了根据某些实施例的、使用光图案在压印的倾斜表面浮雕结构中图案化折射率调制的方法的示例。
40.图17图示了根据某些实施例的、使用光图案在压印的倾斜表面浮雕结构中图案化折射率调制的方法的示例。
41.图18图示了根据某些实施例的、在压印的倾斜表面浮雕结构的厚度方向上改变折
射率调制的方法的示例。
42.图19a图示了根据某些实施例的、具有在厚度方向上变化的折射率调制的压印的倾斜表面浮雕结构的示例。
43.图19b图示了根据某些实施例的压印的倾斜表面浮雕结构的示例，其折射率调制在厚度方向以及长度和/或宽度方向上变化。
44.图20a-20c图示了根据某些实施例的、用于图案化压印的倾斜表面浮雕结构的折射率调制的掩模的示例。
45.图21是流程图，其图示了根据某些实施例的、使用纳米压印光刻和选择性固化制造具有图案化折射率调制的表面浮雕光栅的方法的示例。
46.图22是根据某些实施例的近眼显示器的电子系统的示例的简化框图。
47.附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或所推崇的益处的情况下，可以采用所示结构和方法的替代实施例。
48.在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记后面加上破折号和区分相似部件的第二标记来区分相同类型的各种部件。如果说明书中仅使用了第一附图标记，则不管第二附图标记如何，该描述适用于具有相同第一附图标记的相似部件中的任何一个部件。
49.详细描述
50.本文公开的技术通常涉及表面浮雕结构，例如在基于波导的近眼显示系统中使用的直的或倾斜的表面浮雕光栅。更具体地，但不限于，本公开涉及用于制造表面浮雕结构的技术，在该表面浮雕结构的一个或更多个维度上具有图案化折射率调制
△
n(例如，脊的折射率n1和槽的折射率n2之间的差)。本文公开的技术可用于使用纳米压印光刻(nil)和压印材料的选择性固化来制造具有期望的三维折射率分布的直的或倾斜的表面浮雕光栅。表面浮雕光栅可以用作例如基于波导的显示器中的波导耦合器，以增加光学带宽、改善视场、增加显示图像的亮度或对比度、提高功率效率并减少基于波导的显示器的显示伪像(例如，彩虹伪像)。
51.光栅耦合器可以被用于基于波导的近眼显示系统中，用于将显示光耦合到波导中或耦合出波导，或者用于眼睛跟踪。在一些基于波导的近眼显示系统中，光栅耦合器可以包括直的或倾斜的深表面浮雕光栅。为了改善基于波导的近眼显示系统的光学性能，光栅耦合器可能需要在光栅的不同区域具有不同的衍射特性。因此，光栅周期、占空比、光栅深度、倾斜角、折射率调制和/或复用多个光栅的方式可能需要在整个光栅上变化。例如，光栅的折射率调制可用于优化光栅的衍射效率和/或角度和光谱响应。因此，在一些应用中，除了调谐光栅的其他参数之外，改变光栅的折射率调制使得光栅的不同区域可以具有不同的折射率调制，可以有助于选择性地将显示光和环境光耦合到波导中和从波导耦合出去，并耦合到用户的眼睛中，改善视场，增加耦合光的光谱带宽，增加亮度和整体效率，减少显示伪像(例如，彩虹伪像)，并改善基于波导的近眼显示系统的其他性能。例如，可能希望在复用光栅中集成多个光栅，用于耦合不同入射角(或视场)和/或不同波长的光，其中多个光栅可以在x、y或z方向中的至少一个方向上具有不同的偏移和不同的折射率调制。在使用纳米压印光刻或蚀刻制造的表面浮雕光栅中，因为通常使用相同的材料(例如，树脂或电介质基
板)来制造光栅，所以光栅脊的折射率可以相同。因此，虽然制造复用全息光栅可能相对容易，但是使用纳米压印光刻或蚀刻技术制造复用表面浮雕光栅或在不同区域具有不同折射率调制的表面浮雕光栅可能是困难的。
52.根据某些实施例，公开了使用nil和选择性固化制造具有期望的折射率调制图案(例如，交叉指型图案或多维图案)的表面浮雕光栅的技术。在一些实施例中，光图案可以用于选择性地固化和聚合压印的表面浮雕光栅中的树脂材料的不同区域，其中可以使用例如光掩模或两个光束之间的干涉来生成光图案。折射率调制的幅度可以取决于用于聚合树脂材料的固化光的剂量(dosage)。例如，纳米压印的表面浮雕光栅可以首先通过例如热固化或光(例如，uv光)固化来普遍固化，以形成支撑基质，并且光图案可以用于照射表面浮雕光栅，以光化学地固化表面浮雕光栅的选定区域。光图案可能导致单体聚合，并从而导致树脂材料的暴露区域中的折射率变化。在一些实施例中，(例如，使用另一个光掩模或两个其他光束之间的干涉生成的)另一个光图案可以用于以不同的光剂量固化树脂层的其他区域。这样，可以在表面浮雕光栅的长度和/或宽度方向(例如，x-y平面)上实现图案化的折射率调制。例如，表面浮雕光栅可以包括具有不同折射率调制的两个交错光栅。
53.在一些实施例中，另外地或可替代地，折射率调制可以在表面浮雕光栅的厚度方向(例如，z方向)上变化，从而使得多个光栅可以在表面浮雕光栅中垂直复用，或者可以形成折射率在光栅脊中垂直变化的表面浮雕光栅。例如，可以将光图案或均匀光束投射到树脂材料上，其中光图案或均匀光束可以被聚焦或发散，从而使得光束的强度可以在光束传播方向上变化，例如在表面浮雕光栅的厚度方向上变化。结果是，暴露剂量可以在厚度方向上变化，以在不同深度(除了不同的x-y位置之外)处引起不同程度的光聚合，从而更优先地固化特定高度或深度的树脂材料，或者对表面浮雕光栅进行变迹。在一些实施例中，可以在一系列固化工艺中改变光图案的聚焦或发散和/或固化时间，以在每个固化工艺中使用不同的暴露剂量固化在不同的高度或深度处的树脂材料，从而在光栅的不同高度或深度处实现不同的折射率。
54.以这种方式，可以在脱模之前或之后使用纳米压印光刻和选择性光固化来制造具有图案化(例如，交错和/或垂直变化)折射率调制的表面浮雕光栅，诸如一维、二维或三维复用光栅。纳米压印工艺和固化工艺比蚀刻花费的时间可能少得多，因此可用于以高生产率制造具有期望的光栅参数的表面浮雕光栅。
55.在以下描述中，出于说明的目的，阐述了具体细节以提供对本公开的示例的透彻理解。然而，明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可能以框图形式被示为部件，以免以不必要的细节混淆各示例。在其他情况下，可以在没有必要细节的情况下示出众所周知的设备、工艺、系统、结构和技术以避免混淆各示例。附图和描述不旨在是限制性的。在本公开中使用的术语和表达是被用作描述性而非限制性的术语，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。本文使用的“示例”一词意指“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计更优选或更具优势。
56.图1是根据某些实施例的包括近眼显示系统120的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1中所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示系统120、可选的成像设备150和可选的输入/输出接口140，它们各自都可以被耦合至可选的控制台110。虽然图1示出
了包括一个近眼显示系统120、一个成像设备150和一个输入/输出接口140的示例性人工现实系统环境100，但在人工现实系统环境100中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略这些部件的任何部件。例如，可能存在通过与控制台110通信的一个或更多个外部成像设备150监测的多个近眼显示系统120。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括成像设备150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代配置中，不同的或附加的部件可以被包括在人工现实系统环境100中。在一些配置中，近眼显示系统120可以包括成像设备150，其可以用于跟踪一个或更多个输入/输出设备(例如，输入/输出接口140)，诸如手持控制器。
57.近眼显示系统120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示系统120呈现的内容的示例包括图像、视频、音频或它们的某种组合中的一种或更多种。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示系统120、控制台110或这两者接收音频信息，并基于该音频信息来呈现音频数据。近眼显示系统120可以包括一个或更多个刚性主体，该一个或更多个刚性主体可以刚性地或非刚性地彼此联接。刚性主体之间的刚性联接可以使联接的刚性主体充当单个刚性实体。刚性主体之间的非刚性联接可以允许刚性主体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示系统120可以以任何合适的形状因子(包括一副眼镜)来实现。下面进一步描述近眼显示系统120的一些实施例。另外，在各实施例中，本文描述的功能可以在头戴式装置(headset)中使用，该头戴式装置组合近眼显示系统120外部的环境图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)。因此，近眼显示系统120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示系统120外部的物理、真实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。
58.在各种实施例中，近眼显示系统120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛跟踪系统130中的一个或更多个。在一些实施例中，近眼显示系统120还可以包括一个或更多个定位器126、一个或更多个位置传感器128和惯性测量单元(imu)132。在各种实施例中，近眼显示系统120可以省略这些元件中的任何一个，或者可以包括另外的元件。另外，在一些实施例中，近眼显示系统120可以包括组合结合图1描述的各种元件的功能的元件。
59.显示电子器件122可以根据从例如控制台110接收到的数据向用户显示图像或促进图像对用户的显示。在各种实施例中，显示电子器件122可包括一个或更多个显示面板，诸如液晶显示器(lcd)、有机发光二极管(oled)显示器、无机发光二极管(iled)显示器、微型发光二极管(μled)显示器、有源矩阵oled显示器(amoled)、透明oled显示器(toled)或某种其他显示器。例如，在近眼显示系统120的一个实施方式中，显示电子器件122可以包括前toled面板、后显示面板和在前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或者衍射或光谱膜)。显示电子器件122可以包括像素以发射具有诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色的主要颜色(predominant color)的光。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(3d)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括分别位于用户的左眼和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像的副本以创建立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。
60.在某些实施例中，显示光学器件124可以(例如，使用光波导和耦合器)光学地显示
图像内容，放大从显示电子器件122接收到的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给近眼显示系统120的用户。在各种实施例中，显示光学器件124可以包括一个或更多个光学元件，例如基板、光波导、光圈(aperture)、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器、或可能影响从显示电子器件122发出的图像光的任何其他合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件的组合以及机械联接以保持在该组合中的光学元件的相对间距和定向。显示光学器件124中的一个或更多个光学元件可以具有光学涂层，诸如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
61.显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122相比于更大的显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。此外，放大可以增加显示内容的视场。显示光学器件124对图像光的放大倍数可以通过调整、添加光学元件或从显示光学器件124移除光学元件来改变。在一些实施例中，显示光学器件124可以将显示的图像投射到一个或更多个图像平面，该一个或更多个图像平面可能比近眼显示系统120更远离用户的眼睛。
62.显示光学器件124还可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差，诸如二维光学误差、三维光学误差或其组合。二维误差可以包括在二维中出现的光学像差(optical aberration)。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真(pincushion distortion)、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括在三维中出现的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差(spherical aberration)、彗形像差(comatic aberration)、像场弯曲(field curvature)和像散(astigmatism)。
63.定位器126可以是相对于彼此并相对于近眼显示系统120上的参考点位于近眼显示系统120上的特定位置的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由成像设备150捕获的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式装置的位置、定向或两者。定位器126可以是发光二极管(led)、锥体棱镜反射器(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示系统120操作的环境形成对比的一种类型的光源或者它们的一些组合。在定位器126是有源部件(例如，led或其他类型的发光器件)的实施例中，定位器126可以发射在可见光波段(例如，约380nm至750nm)中的光、在红外(ir)波段(例如，约750nm至1mm)中的光、在紫外波段(例如，约10nm至约380nm)中的光、在电磁波谱的另一部分中的光、或在电磁波谱各部分的任意组合中的光。
64.成像设备150可以是近眼显示系统120的一部分，或者可以在近眼显示系统120的外部。成像设备150可以基于从控制台110接收的校准参数来生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器126的观察位置的一个或更多个图像，这些图像可被成像设备150检测到。成像设备150可以包括一个或更多个相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个定位器126的图像的任何其他设备或它们的一些组合。另外地，成像设备150可以包括一个或更多个滤光器(例如，以增加信噪比)。成像设备150可被配置成在成像设备150的视场中检测从定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回射器(retroreflector))的实施例中，成像设备150可以包括照射一些或全部定位器126的光源，定位器126可以将光回射到成像设备150中的光源。可以将慢速校准数据从成像设备150传送到控制台110，并且成像设备150可以从控制台110接收一个或更多个校准参数，以便调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、光圈等)。
65.位置传感器128可以响应于近眼显示系统120的运动而生成一个或更多个测量信
号。位置传感器128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或误差校正传感器或者它们的一些组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括用于测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下或向左/向右)的多个加速度计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏航或滚动)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各种位置传感器可以彼此正交地定向。
66.imu 132可以是基于从一个或更多个位置传感器128接收到的测量信号生成快速校准数据的电子设备。位置传感器128可以位于imu 132的外部、imu 132的内部或者其某种组合。基于来自一个或更多个位置传感器128的一个或更多个测量信号，imu 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示系统120的初始位置的近眼显示系统120的估计位置。例如，imu 132可以对从加速度计接收到的测量信号在时间上进行积分，以估计速度矢量，并且对速度矢量在时间上进行积分，以确定近眼显示系统120上的参考点的估计位置。可替代地，imu 132可以向控制台110提供采样的测量信号，控制台110可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在各种实施例中，参考点也可以被定义为近眼显示系统120内的点(例如，imu 132的中心)。
67.眼睛跟踪系统130可以包括一个或更多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指确定眼睛相对于近眼显示系统120的位置，包括眼睛的定向和位置。眼睛跟踪系统可以包括成像系统，以对一只或更多只眼睛进行成像，并且可以通常包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，从而使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪系统130可以包括发射在可见光谱或红外光谱中的光的非相干光源或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户的眼睛反射的光的相机。作为另一个示例，眼睛跟踪系统130可以捕获由微型雷达单元发射的反射无线电波。眼睛跟踪系统130可以使用低功率光发射器，其以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪系统130可以被布置成提高由眼睛跟踪系统130捕获的眼睛图像的对比度，同时减少眼睛跟踪系统130消耗的总功率(例如，减少由包括在眼睛跟踪系统130中的光发射器和成像系统所消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪系统130可能消耗小于100毫瓦的功率。
68.眼睛跟踪系统130可以被配置成估计用户眼睛的定向。眼睛的定向可以对应于用户在近眼显示系统120内的凝视方向。用户眼睛的定向可以被定义为视网膜中央凹轴(foveal axis)的方向，视网膜中央凹轴是视网膜中央凹(fovea)(眼睛视网膜上感光细胞最集中的区域)与眼睛瞳孔中心之间的轴。通常，当用户的眼睛固定在一点上时，用户眼睛的视网膜中央凹轴与该点相交。眼睛的瞳孔轴可以被定义为穿过瞳孔中心并垂直于角膜表面(corneal surface)的轴。通常，即使瞳孔轴和视网膜中央凹轴在瞳孔中心相交，瞳孔轴也可能不直接与视网膜中央凹轴对准。例如，视网膜中央凹轴的定向可以从瞳孔轴横向偏移约-1
°
至8
°
，纵向偏移约
±4°
(这可称为kappa角，其可因人而异)。因为视网膜中央凹轴是根据位于眼睛后部的视网膜中央凹来定义的，所以在一些眼睛跟踪实施例中，视网膜中央凹轴可能难以测量或不可能直接测量。相应地，在一些实施例中，可以检测瞳孔轴的定向，并且可以基于检测到的瞳孔轴来估计视网膜中央凹轴。
69.通常，眼睛的移动不仅对应于眼睛的角度旋转，还对应于眼睛的平移、眼睛扭转的变化和/或眼睛形状的变化。眼睛跟踪系统130还可以被配置成检测眼睛的平移，平移可以是眼睛相对于眼窝的位置变化。在一些实施例中，可以不直接检测眼睛的平移，而是可以基
于来自检测到的角度定向的映射来近似。也可以检测对应于眼睛相对于眼睛跟踪系统的位置变化的眼睛平移，该位置变化是由于例如用户头部上的近眼显示系统120的位置偏移引起的。眼睛跟踪系统130还可以检测眼睛的扭转和眼睛围绕瞳孔轴的旋转。眼睛跟踪系统130可以使用检测到的眼睛扭转来估计视网膜中央凹轴相对于瞳孔轴的定向。在一些实施例中，眼睛跟踪系统130还可以跟踪眼睛形状的变化，该变化可以近似为倾斜(skew)或缩放线性变换或扭曲失真(例如，由于扭转变形)。在一些实施例中，眼睛跟踪系统130可以基于瞳孔轴的角度定向、眼睛的平移、眼睛的扭转和眼睛的当前形状的一些组合来估计视网膜中央凹轴。
70.在一些实施例中，眼睛跟踪系统130可以包括多个发射器或至少一个发射器，发射器可以在眼睛的所有部分或一部分上投射结构光图案。当从偏位角(offset angle)观看时，结构光图案可能由于眼睛的形状而失真。眼睛跟踪系统130还可以包括至少一个相机，该相机可以检测投射到眼睛上的结构光图案的失真(如果有的话)。相机可以被定向在与发射器不同的到眼睛的轴上。通过检测眼睛表面上的结构光图案的变形，眼睛跟踪系统130可以确定被结构光图案照射的眼睛部分的形状。因此，捕获的失真光图案可以指示眼睛被照亮部分的3d形状。因此，眼睛的定向可以从眼睛的被照亮部分的3d形状中导出。眼睛跟踪系统130还可以基于由相机捕获的失真结构光图案的图像来估计瞳孔轴、眼睛的平移、眼睛的扭转和眼睛的当前形状。
71.近眼显示系统120可以使用眼睛的定向，以例如确定用户的瞳孔间距(ipd)、确定凝视方向、引入深度线索(例如，模糊用户主视线之外的图像)、收集关于vr媒体中的用户交互的启发信息(heuristics)(例如，根据暴露的刺激，在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)、部分地基于用户眼睛中的至少一只的定向的一些其他功能、或它们的任意组合。因为可以确定用户的双眼定向，所以眼睛跟踪系统130可以确定用户正在看哪里。例如，确定用户凝视的方向可以包括基于所确定的用户左眼和右眼的定向来确定会聚点(point of convergence)。会聚点可以是用户眼睛的两个中央凹轴相交的点。用户凝视的方向可以是通过会聚点和用户眼睛瞳孔间的中点的线的方向。
72.输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或更多个输入设备。示例性输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台110的任何其他合适的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行对应于所请求的动作的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收到的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并且向输入/输出接口140传送指令时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。在一些实施例中，成像设备150可以用于跟踪输入/输出接口140，诸如跟踪控制器(其可以包括例如ir光源)或用户的手的位置或定位，以确定用户的运动。在一些实施例中，近眼显示系统120可以包括一个或更多个成像设备(例如，成像设备150)，以跟踪输入/输出接口140，诸如跟踪控制器或用户的手的位置或定位，以确定用户的运动。
73.控制台110可以根据从成像设备150、近眼显示系统120和输入/输出接口140中的
一个或更多个接收的信息来向近眼显示系统120提供内容以呈现给用户。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用储存器112、头戴式装置跟踪模块114、人工现实引擎116和眼睛跟踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1描述的模块不同的模块或附加的模块。下文进一步描述的功能可以以不同于此处描述的方式被分布在控制台110的部件中。
74.在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和存储可由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。计算机可读存储介质可以是任何存储器，诸如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(dram))。在各种实施例中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，该指令当由处理器执行时，使处理器执行下面进一步描述的功能。
75.应用储存器112可以存储一个或更多个应用以供控制台110执行。应用可以包括一组指令，该一组指令当由处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。应用生成的内容可以响应于经由用户眼睛的移动从用户接收到的输入或从输入/输出接口140接收到的输入。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
76.头戴式装置跟踪模块114可以使用来自成像设备150的慢速校准信息来跟踪近眼显示系统120的移动。例如，头戴式装置跟踪模块114可以使用来自慢速校准信息的观察到的定位器和近眼显示系统120的模型来确定近眼显示系统120的参考点的位置。头戴式装置跟踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示系统120的参考点的位置。另外地，在一些实施例中，头戴式装置跟踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息或它们的某种组合中的部分来预测近眼显示系统120的未来位置。头戴式装置跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示系统120的估计的或预测的未来位置。
77.头戴式装置跟踪模块114可以使用一个或更多个校准参数来校准人工现实系统环境100，并且可以调整一个或更多个校准参数以减少在确定近眼显示系统120的位置时的误差。例如，头戴式装置跟踪模块114可以调整成像设备150的焦点，以获得在近眼显示系统120上的观察到的定位器的更准确的位置。此外，由头戴式装置跟踪模块114执行的校准也可以考虑从imu 132接收的信息。另外地，如果对近眼显示系统120的跟踪丢失(例如，成像设备150丢失至少阈值数量的定位器126的视线)，则头戴式装置跟踪模块114可以重新校准一些或所有的校准参数。
78.人工现实引擎116可以在人工现实系统环境100内执行应用，并且从头戴式装置跟踪模块114接收近眼显示系统120的位置信息、近眼显示系统120的加速度信息、近眼显示系统120的速度信息、近眼显示系统120的预测的未来位置或它们的某种组合。人工现实引擎116还可以从眼睛跟踪模块118接收估计的眼睛位置和定向信息。基于接收到的信息，人工现实引擎116可以确定提供给近眼显示系统120以呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示系统120生成反映用户眼睛在虚拟环境中的移动的内容。另外，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收到的动作请求而执行在控制台110上执行的应用内的动作，并且向用户提供指示动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示系统120的视觉或听觉反馈，或经由输入/输出接口140的触觉反馈。
79.眼睛跟踪模块118可以从眼睛跟踪系统130接收眼睛跟踪数据，并基于眼睛跟踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括眼睛相对于近眼显示系统120或其任何元件的定向、定位或这两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在其眼窝中的定位而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的定位可以允许眼睛跟踪模块118更准确地确定眼睛的定向。
80.在一些实施例中，眼睛跟踪模块118可以存储由眼睛跟踪系统130捕获的图像与眼睛位置之间的映射，以从由眼睛跟踪系统130捕获的图像确定参考眼睛位置。可替代地或另外地，眼睛跟踪模块118可以通过比较从中确定参考眼睛位置的图像和从中待确定更新的眼睛位置的图像来确定相对于参考眼睛位置的更新的眼睛位置。眼睛跟踪模块118可以使用来自不同成像设备或其他传感器的测量结果来确定眼睛位置。例如，眼睛跟踪模块118可以使用来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定参考眼睛位置，并且然后从快速眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新的位置，直到基于来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定下一个参考眼睛位置。
81.眼睛跟踪模块118还可以确定眼睛校准参数，以提高眼睛跟踪的精度和准确度。眼睛校准参数可以包括每当用户佩戴或调整近眼显示系统120时都可以改变的参数。示例性眼睛校准参数可以包括眼睛跟踪系统130的部件与眼睛的一个或更多个部位(诸如眼睛的中心、瞳孔、角膜边界或眼睛表面上的点)之间的估计距离。其他示例性的眼睛校准参数可以特定于特定用户，并且可以包括所估计的平均眼睛半径、平均角膜半径、平均巩膜半径、眼睛表面上的特征图以及所估计的眼睛表面轮廓。在来自近眼显示系统120外部的光可以到达眼睛的实施例中(如在一些增强现实应用中)，校准参数可以包括由于来自近眼显示系统120外部的光的变化而导致的强度和色彩平衡的校正因子。眼睛跟踪模块118可以使用眼睛校准参数来确定由眼睛跟踪系统130捕获的测量值是否将允许眼睛跟踪模块118确定准确的眼睛位置(本文也被称为“有效测量值”)。眼睛跟踪模块118可能无法从中确定准确的眼睛位置的无效测量值可能是由用户眨眼、调整头戴式装置或移除头戴式装置引起的，和/或可能是由近眼显示系统120由于外部光而经历大于阈值的照明变化引起的。在一些实施例中，可以由眼睛跟踪系统130来执行眼睛跟踪模块118的至少一些功能。
82.图2是用于实现本文公开的一些示例的以头戴式显示器(hmd)设备200的形式的近眼显示器的示例的透视图。hmd设备200可以是例如虚拟现实(vr)系统、增强现实(ar)系统、混合现实(mr)系统或其一些组合的一部分。hmd设备200可以包括主体220和头带230。图2以透视图示出了主体220的顶侧223、前侧225和右侧227。头带230可以具有可调节或可伸展的长度。在hmd设备200的主体220和头带230之间可以有足够的空间以允许用户将hmd设备200安装到用户的头部上。在各种实施例中，hmd设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，hmd设备200可以包括如例如图2所示的眼镜腿(eyeglass temples)和镜腿末端(temples tips)，而不是头带230。
83.hmd设备200可以向用户呈现包括具有计算机生成元素的物理、真实世界环境的虚拟和/或增强视图的媒体。由hmd设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2d)图像或三维(3d)图像)、视频(例如，2d视频或3d视频)、音频或其一些组合。图像和视频可以通过封装在hmd设备200的主体220中的一个或更多个显示组件(在图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在各种实施例中，一个或更多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用户的每只眼睛一个显示面板)。电子显示面板的示例可以包括，例
如，液晶显示器(lcd)、有机发光二极管(oled)显示器、无机发光二极管(iled)显示器、微型发光二极管(mled)显示器、有源矩阵有机发光二极管(amoled)显示器、透明有机发光二极管(toled)显示器、某种其他显示器或它们的一些组合。hmd设备200可以包括两个视窗(eye box)区域。
84.在一些实施方式中，hmd设备200可以包括各种传感器(未示出)，诸如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛跟踪传感器。这些传感器中的一些可以使用结构光图案用于感测。在一些实施方式中，hmd设备200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，hmd设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以在hmd设备200内执行应用，并且从各种传感器接收hmd设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其一些组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收到的信息可以用于向一个或更多个显示组件生成信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，hmd设备200可以包括相对于彼此并且相对于参考点位于主体220上的固定位置的定位器(未示出，诸如定位器126)。每个定位器可以发射可由外部成像设备检测到的光。
85.图3是用于实现本文公开的示例中的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器300的示例的透视图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示系统120的具体实施方式，并且可以被配置为作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器进行操作。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置成向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如以上参考图1的近眼显示系统120所描述的，显示器310可以包括lcd显示面板、led显示面板或光学显示面板(例如，波导显示组件)。
86.近眼显示器300还可以包括在框架305上或在框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个图像传感器，该一个或更多个图像传感器被配置成生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施例中，传感器350a-350e可以用作输入设备以控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式vr/ar/mr体验。在一些实施例中，传感器350a-350e也可以用于立体成像。
87.在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括一个或更多个照明器330以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频段(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，照明器330可以在黑暗环境中(或在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，以帮助传感器350a-350e在黑暗环境内捕获不同对象的图像。在一些实施例中，照明器330可以用于将特定光图案投射到环境内的对象上。在一些实施例中，照明器330可以用作定位器，诸如上文参考图1描述的定位器126。
88.在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率相机340。相机340可以捕获视场中物理环境的图像。例如，可以通过虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)处理捕获的图像以将虚拟对象添加到捕获的图像中或修改捕获的图像中的物理对象，并且可以通过用于ar或mr应用的显示器310向用户显示处理过的图像。
89.图4图示了根据某些实施例的使用波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图像源
412和投影仪光学器件414。在一些实施例中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如lcd显示面板或led显示面板。在一些实施例中，图像源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施例中，图像源412可以包括多个光源，每个光源发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源412可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括一个或更多个光学部件，该一个或更多个光学部件可以调节来自图像源412的光，诸如扩展、准直、扫描来自图像源412的光或将来自图像源412的光投射到组合器415。例如，一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，投影仪光学器件414可以包括具有允许对来自图像源412的光进行扫描的多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)。
90.组合器415可以包括用于将来自投影仪410的光耦合到组合器415的基板420中的输入耦合器430。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(doe)(例如，表面浮雕光栅)、或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。输入耦合器430对于可见光可具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。如本文使用的，可见光可以指具有在约380nm至约750nm之间的波长的光。耦合到基板420中的光可以通过例如全内反射(tir)在基板420内传播。基板420可以是一副眼镜的镜片的形式。基板420可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或更多种类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、晶体或陶瓷。基板的厚度可以在例如小于约1mm至约10mm或更大的范围内。基板420可以对可见光透明。如果光束可以以高透射率(transmission rate)(诸如，大于50％、40％、75％、80％、90％、95％或更高)穿过材料，其中一小部分光束(例如，少于50％、40％、25％、20％、10％、5％或更少)可以被材料散射、反射或吸收，则该材料对光束可以是“透明的”。透射率(即，透射度(transmissivity))可以由波长范围内的适光加权的平均透射率或未加权的平均透射率来表示，或者由波长范围(诸如，可见波长范围)内的最低透射率来表示。
91.基板420可以包括或可以耦合到多个输出耦合器440，该多个输出耦合器440被配置成从基板420提取由基板420引导并在基板420内传播的光的至少一部分，并且将提取的光460引导至增强现实系统400的用户的眼睛490。像输入耦合器430一样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他doe、棱镜等。输出耦合器440可以在不同位置具有不同的耦合(例如，衍射)效率。基板420还可以允许来自组合器415前面的环境的光450几乎没有或没有损失地通过。输出耦合器440也可以允许光450几乎没有损失地通过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有低衍射效率，使得光450可以被折射或以其他方式通过输出耦合器440而几乎没有损失，并且因此可以具有比提取的光460更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有高衍射效率，并且可以几乎没有损失地将光450衍射到特定期望的方向(即，衍射角)。从而，用户可以观看组合器415前面的环境和投影仪410投射的虚拟对象的组合图像。
92.图5图示了在包括波导510和光栅耦合器520的波导显示器500的示例中入射显示光540和外部光530的传播。波导显示器500可以包括例如图4的组合器415。波导510可以是平坦或弯曲的透明基板，其中折射率n2大于自由空间折射率n1(即，1.0)。光栅耦合器520可以包括，例如，布拉格光栅(bragg grating)或表面浮雕光栅。
93.入射显示光540可以通过例如，图4的输入耦合器430或上述的其他耦合器(例如，棱镜或倾斜表面)耦合到波导510中。入射显示光540可以通过例如全内反射在波导510内传播。当入射显示光540到达光栅耦合器520时，入射显示光540可以被光栅耦合器520衍射成例如，0阶衍射(即，反射)光542和-1阶衍射光544。0阶衍射可以继续在波导510内传播，并且可以在不同的位置处被波导510的底表面朝向光栅耦合器520反射。-1阶衍射光544可以朝向用户的眼睛从波导510耦合(例如，折射)出去，因为由于-1阶衍射光544的衍射角，在波导510的底表面处可能不满足全内反射条件。
94.外部光530也可以被光栅耦合器520衍射成例如0阶衍射光532或-1阶衍射光534。0阶衍射光532或-1阶衍射光534可以朝向用户的眼睛从波导510被折射出去。因此，光栅耦合器520可以充当输入耦合器，用于将外部光530耦合到波导510中，并且还可以充当输出耦合器，用于将入射显示光540从波导510耦合出去。这样，光栅耦合器520可以充当组合器，用于组合外部光530和入射显示光540，并将组合的光发送到用户的眼睛。
95.为了在朝向用户眼睛的期望方向上衍射光，并且对于某些衍射阶获得期望的衍射效率，光栅耦合器520可以包括闪耀光栅(blazed grating)或倾斜的光栅，诸如倾斜的布拉格光栅或表面浮雕光栅，其中光栅脊和槽可以相对于光栅耦合器520或波导510的表面法线倾斜。
96.图6图示了根据某些实施例的波导显示器600中的倾斜的光栅620的示例。倾斜的光栅620可以是输出耦合器440或光栅耦合器520的示例。波导显示器600可以包括波导610(诸如，基板420)或波导510上的倾斜光栅620。倾斜光栅620可以充当光栅耦合器，用于将光耦合到波导610中或从波导610耦合出去。在一些实施例中，倾斜的光栅620可以包括周期为p的周期性结构。例如，倾斜的光栅620可以包括多个脊622以及脊622之间的槽624。倾斜的光栅620的每个周期可以包括脊622和槽624，槽624可以是空气间隙或填充有折射率为n
g2
的材料的区域。脊622的宽度d与光栅周期p之间的比率可以被称为占空比。倾斜的光栅620可以具有例如在从约10％至约90％或更大的范围内的占空比。在一些实施例中，占空比可以从周期到周期变化。在一些实施例中，倾斜的光栅的周期p可以在倾斜的光栅620上从一个区域到另一个区域变化，或者可以在倾斜的光栅620上从一个周期到另一个周期变化(即，啁啾(chirped))。
97.脊622可以由折射率为n
g1
的材料制成，诸如含硅材料(例如，sio2、si3n4、sic、sio
x
ny或非晶硅)、有机材料(例如，旋涂碳(soc)或无定形碳层(acl)或类金刚石碳(dlc))、或无机金属氧化物层(例如，tio
x
、alo
x
、tao
x
、hfo
x
等)。每个脊622可以包括具有倾斜角α的前缘630和具有倾斜角β的后缘640。在一些实施例中，每个脊622的前缘630和后缘640可以彼此平行。换句话说，倾斜角α近似等于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以不同于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以近似等于倾斜角β。例如，倾斜角α和倾斜角β之间的差值可以小于20％、10％、5％、1％或更小。在一些实施例中，倾斜角α和倾斜角β可以在例如从约30
°
或更小至约70％或更大的范围内。
98.在一些实施方式中，脊622之间的槽624可以包覆(over-coat)或填充有具有折射率n
g2
的材料，所述折射率n
g2
高于或低于脊622的材料的折射率。例如，在一些实施例中，高折射率材料，诸如氧化铪(hafnia)、氧化钛(titania)、氧化钽(tantalum oxide)、氧化钨(tungsten oxide)、氧化锆(zirconium oxide)、硫化镓(gallium sulfide)、氮化镓
(gallium nitride)、磷化镓(gallium phosphide)、硅和高折射率聚合物，可以用于填充槽624。在一些实施例中，低折射率材料，诸如氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(fluorinated low index monomer)(或聚合物)，可以用于填充槽624。结果，脊的折射率和槽的折射率之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
99.用户对人工现实系统的体验可能取决于人工现实系统的几个光学特性，诸如视场(fov)、图像质量(例如，分辨率)、系统视窗的尺寸(以适应眼睛和/或头部移动)、出瞳间隔距离(distance of eye relief)、光学带宽以及所显示图像的亮度。一般来说，fov和视窗需要尽可能大，光学带宽需要覆盖可见光波段，显示图像的亮度需要足够高(尤其对于光学透视ar系统)。
100.在基于波导的近眼显示器中，显示器的输出面积通常比近眼显示系统的视窗的尺寸大得多。可以到达用户眼睛的那部分光可能取决于视窗尺寸与显示器输出面积之间的比率，在一些情况中，对于特定的出瞳间隔和视场，该比率可能小于10％。为了实现由用户眼睛感知的所显示图像的期望亮度，来自投影仪或光源的显示光可能需要显著增加，这可能增加功耗并引起一些安全问题。
101.图7a图示了基于波导的近眼显示器的示例，其中所有视场的显示光从波导显示器710的不同区域均匀输出。近眼显示器可以包括投影仪720和波导显示器710。投影仪720可以类似于投影仪410，并且可以包括类似于光源或图像源412的光源或图像源以及类似于投影仪光学器件414的投影仪光学器件。波导显示器710可以包括波导(例如，基板)、一个或更多个输入耦合器712以及一个或更多个输出耦合器714。输入耦合器712可以被配置成将来自不同视场(或视角)的显示光耦合到波导中，并且输出耦合器714可以被配置成将显示光从波导耦合出去。输入耦合器和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或体布拉格光栅。在图7所示的示例中，输出耦合器714可以在输出耦合器的整个区域上具有类似的光栅参数，这些类似的光栅参数不同于可以被改变以调整耦合效率来获得更均匀的输出光的参数。因此，显示光可以在波导显示器710的不同区域处以类似于图7a所示的方式从波导耦合出去，其中来自近眼显示器的所有视场的显示光可以在波导显示器710的任何给定区域处部分地从波导耦合出去。
102.如图7a所示，近眼显示系统可能在特定视窗位置790处具有视窗，该视窗具有有限的尺寸并且因此具有有限的视场730。这样，并非所有从波导显示器710中的波导耦合出去的光都可以到达视窗位置790处的视窗。例如，来自波导显示器710的显示光732、734和736可能不会到达视窗位置790处的视窗，因此可能不会被用户的眼睛接收，这可能导致来自投影仪720的光功率的显著损失。
103.在某些实施例中，用于基于波导的显示器的光学耦合器(例如，倾斜的表面浮雕光栅)可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器包括多个区域(或者多个复用光栅)，其中光栅耦合器的不同区域对于入射显示光可以具有不同的角度选择性特性(例如，相长干涉条件)，从而使得在基于波导的显示器的任何区域处，最终不会到达用户眼睛的衍射光可以被抑制(即，可能不会被光栅耦合器衍射从而耦合到波导中或从波导耦合出去，并因此可以继续在波导内传播)，而最终可以到达用户眼睛的光可以被光栅耦合器衍射并耦合到波导中或从波导耦合出去。
104.图7b图示了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光可以在
波导的不同区域中以不同角度从波导显示器740耦合出去。波导显示器740可以包括波导(例如，基板)、一个或更多个输入耦合器742以及一个或更多个输出耦合器744。输入耦合器742可以被配置成将来自不同视场(例如，视角)的显示光耦合到波导中，并且输出耦合器744可以被配置成将显示光从波导耦合出去。输入耦合器和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或其他光栅。输出耦合器在输出耦合器的不同区域处可以具有不同的光栅参数，因此具有不同的角度选择性特性。因此，在输出耦合器的每个区域处，只有将以特定角度范围朝向近眼显示器的视窗位置790处的视窗传播的显示光可以从波导耦合出去，而其他显示光可能不满足该区域处的角度选择性条件，因此可能不会从基板耦合出去。在一些实施例中，输入耦合器在输入耦合器的不同区域处也可以具有不同的光栅参数，从而具有不同的角度选择性特性，因此，在输入耦合器的每个区域处，只有来自相应视场的显示光可以耦合到波导中。结果，耦合到波导中并在波导中传播的大部分显示光可以被有效地发送到视窗，从而提高了基于波导的近眼显示系统的功率效率。
105.倾斜的表面浮雕光栅的折射率调制以及倾斜的表面浮雕光栅的其他参数(诸如光栅周期、倾斜角、占空比、深度等)可以被配置成以特定的衍射方向(例如，在视场730所示的角度范围内)选择性地衍射在特定的入射角度范围(例如，fov)和/或特定的波长带内的入射光。例如，当折射率调制较大(例如，》0.2)时，在输出耦合器处可以实现大的角度带宽(例如，》10
°
)，从而为基于波导的近眼显示系统提供足够大的视窗。
106.可以使用许多不同的纳米制造技术来制造上述具有在光栅区域上变化的参数和配置(例如，占空比或折射率调制)的倾斜的表面浮雕光栅和其他表面浮雕光栅(例如，用于眼睛跟踪的光栅)。纳米制造技术通常包括图案化工艺和后图案化(例如，包覆)工艺。图案化工艺可以用于形成倾斜的光栅的倾斜的脊。可以存在许多不同的用于形成倾斜的脊的纳米制造技术。例如，在一些实施方式中，可以使用包括倾斜蚀刻的光刻技术来制造倾斜光栅。在一些实施方式中，可以使用纳米压印光刻(nil)模制技术来制造倾斜的光栅，其中可以使用例如倾斜蚀刻技术来制造包括倾斜结构的母模，然后可以使用该母模来模制倾斜的光栅或用于纳米压印的不同代的软印模。后图案化工艺(post-patterning process)可以用于包覆倾斜的脊和/或用折射率不同于倾斜脊的材料填充倾斜脊之间的间隙。后图案化工艺可以独立于图案化工艺。因此，可以在使用任何图案化技术制造的倾斜光栅上使用相同的后图案化工艺。
107.本文描述的用于制造倾斜光栅的技术和工艺仅用于说明的目的，并且不意图是限制性的。本领域技术人员将理解，可以对下文描述的技术进行各种修改。例如，在一些实施方式中，可以省略下文描述的一些操作。在一些实施方式中，可以执行附加的操作以制造倾斜的光栅。本文公开的技术也可以用于在各种材料上制造其他倾斜的结构。
108.如上文描述的，在一些实施方式中，可以使用nil模制技术来制造倾斜的表面浮雕光栅。在nil模制中，基板可以涂覆有nil材料层。nil材料可以包括例如热敏材料或电磁辐射敏感材料，诸如紫外(uv)光可固化光学材料。在一个示例中，nil材料可以包括光敏基础树脂，该光敏基础树脂包括基础聚合物和用于在光固化(例如，uv固化)期间聚合的官能团(functional group)。nil材料混合物还可以包括一些金属氧化物纳米粒子(例如，氧化钛、氧化锆等)，用于增加混合物的折射率。在一些实施例中，纳米粒子可以包括一种或更多种金属氧化物，诸如氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧化钨、其任何衍生物、或具有相对高折射率的
其他金属氧化物或其衍生物。在一些实施例中，纳米粒子可以包括碲锌(zinc tellurium)、磷化镓或其任何衍生物。取决于材料和/或组成，当多于一种类型的纳米粒可以用于形成纳米粒子的混合物时，纳米粒子可以具有在大约1.7和大约3.4之间的折射率。混合物还可以包括一些可选的添加剂和溶剂。通常，基础树脂材料(诸如基础树脂材料的基础聚合物和官能团)、纳米粒子材料和/或纳米粒子相对于混合物中其他材料的负载量(即，固化的nil材料中纳米粒子的重量百分比)可以被选择以调节nil材料的折射率。
109.具有倾斜结构的nil模具(例如，硬印模、包括聚合物材料的软印模、硬-软印模或任何其他工作印模)可以被压靠在nil材料层上，用于在nil材料层中模制倾斜的表面浮雕结构。在模制和脱模工艺期间，软印模(例如，由聚合物制成)可以提供比硬印模更大的柔性。随后，可以使用例如热和/或紫外(uv)光来固化nil材料层。然后，nil模具可以从nil材料层分离，并且可以在nil材料层中形成与nil模具中的倾斜结构互补的倾斜结构。
110.图8a和8b图示了根据某些实施例的用于通过纳米压印光刻来制造倾斜的表面浮雕光栅的工艺的示例。在图8a中，波导810可以涂覆有nil树脂层820。nil树脂层820可以包括例如掺杂有溶胶-凝胶前体的丙烯酸丁酯基树脂(例如，丁氧基钛(titanium butoxide))、含有用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(诸如丙烯酸)和/或高折射率纳米粒子(例如，tio2、gap、hfo2、gaas等)。在一些实施例中，nil树脂层820可以包括聚二甲基硅氧烷(pdms)或另一种有机硅弹性体或基于硅的有机聚合物。可以通过例如旋涂、层压或油墨注入将nil树脂层820沉积在波导810上。具有倾斜脊832的nil模具830可以被压靠在nil树脂层820和波导810上，用于在nil树脂层820中模制倾斜的光栅。可以随后使用热和/或紫外(uv)光来固化(例如，交联(cross-link))nil树脂层820。
111.图8b示出了脱模工艺，在脱模工艺期间，将nil模具830从nil树脂层820和波导810分离。如图8b所示，在nil模具830从nil树脂层820和波导810分离之后，可以在波导810上的nil树脂层820中形成与nil模具830中的倾斜脊832互补的倾斜的光栅822。
112.在一些实施例中，可以首先使用例如倾斜蚀刻、微机械加工或3d印刷来制造母版nil模具(例如，包括诸如si、sio2、si3n4或金属的刚性材料的硬模具)。可以使用母版nil模具来制造软印模，并且然后软印模可以被用作工作印模来制造倾斜的光栅，或者可被用于制造下一代软印模。在这样的工艺中，母版nil模具中的倾斜的光栅结构可以类似于用于波导显示器的光栅耦合器的倾斜的光栅，并且软印模上的倾斜的光栅结构可以与母版nil模具中的倾斜的光栅结构和用于波导显示器的光栅耦合器的倾斜的光栅互补。与硬印模或硬模具相比，软印模可以在模制和脱模工艺期间提供更大的柔性。
113.图9a-图9d图示了根据某些实施例的用于制造软印模的工艺900的示例，该软印模被用于制成倾斜的表面浮雕光栅。图9a示出了母模910(例如，硬模具或硬印模)。母模910可以包括刚性材料，诸如半导体基板(例如，si或gaas)、氧化物(例如，sio2、si3n4、tio
x
、alo
x
、tao
x
或hfo
x
)或金属板。母模910可以使用例如使用反应离子束或化学辅助的反应离子束的倾斜蚀刻工艺、微机械加工工艺或3d印刷工艺来制造。如图9a所示，母模910可以包括倾斜的光栅920，该倾斜的光栅920又可以包括多于一个倾斜的脊922，在倾斜的脊922之间具有间隙924。
114.图9b图示了涂覆有软印模材料层930的母模910。软印模材料层930可以包括例如树脂材料或可固化聚合物材料。在一些实施例中，软印模材料层930可以包括聚二甲基硅氧
烷(pdms)或另一种有机硅弹性体或基于硅的有机聚合物。在一些实施例中，软印模材料层930可以包括乙烯四氟乙烯(etfe)、全氟聚醚(pfpe)或其他氟化聚合物材料。在一些实施例中，软印模材料层930可以通过例如旋涂或油墨注入被涂覆在母模910上。
115.图9c图示了用于将软印模箔940层压到软印模材料层930上的层压工艺。辊950可以用于将软印模箔940压靠在软印模材料层930上。层压工艺还可以是平坦化工艺，以使软印模材料层930的厚度基本上均匀。在层压工艺之后，软印模箔940可以被紧密地或牢固地附接至软印模材料层930。
116.图9d图示了分层工艺，其中将包括软印模箔940和附接的软印模材料层930的软印模从母模910分离。软印模材料层930可以包括倾斜的光栅结构，该倾斜的光栅结构与母模910上的倾斜的光栅结构互补。因为软印模箔940和附接的软印模材料层930的柔性，所以与使用硬印模或模具的脱模工艺相比，分层工艺可以相对容易。在一些实施例中，可以在分层工艺中使用辊(例如，辊950)，以确保恒定的或受控的分层速度。在一些实施例中，在分层期间可以不使用辊950。在一些实施方式中，在软印模材料层930被涂覆在母模910上之前，可以在母模910上形成防粘层。防粘层也可以促进分层工艺。在软印模从母模910分层之后，软印模可以用于在波导显示器的波导上模制倾斜的光栅。
117.图10a-图10d图示了根据某些实施例的使用软印模来制造倾斜的表面浮雕光栅的工艺1000的示例。图10a示出了涂覆有压印树脂层1020的波导1010。压印树脂层1020可以包括例如掺杂有溶胶-凝胶前体的丙烯酸丁酯基树脂(例如，丁氧基钛)、含有用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(诸如丙烯酸)和/或高折射率纳米粒子(例如，tio2、gap、hfo2、gaas等)。在一些实施例中，压印树脂层1020可以包括聚二甲基硅氧烷(pdms)或另一种有机硅弹性体或基于硅的有机聚合物。在一些实施例中，压印树脂层1020可以包括乙烯四氟乙烯(etfe)、全氟聚醚(pfpe)或其他氟化聚合物材料。压印树脂层1020可以通过例如旋涂、层压或油墨注入被沉积在波导1010上。附接至软印模箔1040的、包括倾斜的脊1032的软印模1030可以用于压印。
118.图10b示出了软印模1030到压印树脂层1020上的层压。可以使用辊1050将软印模1030压靠在压印树脂层1020和波导1010上，使得倾斜的脊1032可以被压入到压印树脂层1020中。压印树脂层1020可以随后被固化。例如，可以使用热和/或紫外(uv)光交联压印树脂层1020。
119.图10c示出了软印模1030从压印树脂层1020的分层。可以通过提升软印模箔1040以从压印树脂层1020分离软印模1030的倾斜的脊1032来执行分层。压印树脂层1020现在可以包括倾斜的光栅1022，该倾斜的光栅1022可以用作光栅耦合器或者可以被包覆，以形成用于波导显示器的光栅耦合器。如上文描述的，因为软印模1030的柔性，所以与使用硬印模或模具的脱模工艺相比，分层工艺可以相对容易。在一些实施例中，可以在分层工艺中使用辊(例如，辊1050)，以确保恒定的或受控的分层速度。在一些实施例中，在分层期间可以不使用辊1050。
120.图10d示出了使用软印模1030在波导1010上形成的示例性的压印的倾斜光栅1022。如上文描述的，倾斜的光栅1022可以包括脊以及脊之间的间隙，并且因此可以包覆有具有不同于压印树脂层1020的折射率的材料，以填充间隙并且形成用于波导显示器的光栅耦合器。
121.在各种实施例中，倾斜的光栅的周期可以在倾斜的光栅1022上从一个区域到另一个区域变化，或者可以在倾斜的光栅1022上从一个周期到另一个周期变化(即，啁啾)。倾斜的光栅1022可以具有例如在从约10％至约90％或更大的范围内的占空比。在一些实施例中，占空比可以从周期到周期变化。在一些实施例中，倾斜的光栅1022的脊的深度或高度可以大于50nm、100nm、200nm、300nm、400nm或更高。倾斜的光栅1022的脊的前缘的倾斜角和倾斜的光栅1022的脊的后缘的倾斜角可以大于30
°
、45
°
、60
°
或更大。在一些实施例中，倾斜的光栅1022的每个脊的前缘和后缘可以彼此平行。在一些实施例中，倾斜的光栅1022的脊的前缘的倾斜角和倾斜的光栅1022的脊的后缘的倾斜角之间的差可以小于20％、10％、5％、1％或更小。
122.在各种实施例中，不同代的nil印模可以被制造并且被用作模制倾斜的光栅的工作印模。例如，在一些实施例中，可以在例如半导体基板、石英或金属板中制造(例如，蚀刻)母模(其可以被称为第0代模具)。母模可以是硬印模，并且可以被用作直接模制倾斜的光栅的工作印模，这可以被称为硬印模nil或硬nil。在这样的情况下，模具上的倾斜的结构可以与用作波导显示器上的光栅耦合器的倾斜的光栅的期望的倾斜结构互补。
123.在一些实施例中，为了保护母版nil模具，可以首先制造母版nil模具，并且然后可以使用母版nil模具来制造混合印模(hybrid stamp)(其可以被称为第1代模具或印模)。混合印模可以被用作用于纳米压印的工作印模。混合印模可以包括硬印模、软印模或硬-软印模。使用软印模的纳米压印可以被称为软印模nil或软nil。在一些实施例中，混合模具可以包括具有软图案化聚合物或硬图案化聚合物(例如，具有约1gpa的杨氏模量)的塑料背板。在一些实施例中，混合模具可以包括具有软图案化聚合物或硬图案化聚合物(例如，具有约1gpa的杨氏模量)的玻璃背板。在一些实施例中，混合模具可以包括具有软图案化聚合物或硬图案化聚合物的玻璃/塑料层压背板。
124.在一些实施例中，第2代混合模具可以由第1代模具制成，并且然后可以被用作用于纳米压印的工作印模。在一些实施例中，第3代混合模具、第4代混合模具和类似物可以被制造并且被用作工作印模。nil模制可以显著地降低制造倾斜的表面浮雕结构的成本，因为模制工艺可以比蚀刻工艺短得多，并且可能不需要昂贵的反应离子蚀刻设备。
125.图11是图示了根据某些实施例的使用纳米压印光刻来制造倾斜的表面浮雕光栅的示例性方法的简化流程图1100。如上文描述的，不同代的nil印模可以被制造，并且被用作模制倾斜的光栅的工作印模。例如，在一些实施例中，母模(即，第0代模具，其可以是硬模具)可以被用作直接模制倾斜的光栅的工作印模。在一些实施例中，混合印模(例如，第1代混合模具或印模)可以使用母模来制造，并且可以被用作用于纳米压印的工作印模。在一些实施例中，第2代混合模具(或印模)可以由第1代模具制成，并且可以被用作用于纳米压印的工作印模。在一些实施例中，第3代模具、第4代模具等可以被制成并且被用作工作印模。
126.在框1110处，具有倾斜的结构的母模可以使用例如倾斜蚀刻工艺、微机械加工工艺或3d印刷工艺来制造，该倾斜蚀刻工艺使用反应离子束或化学辅助的反应离子束。母模可以被称为第0代(或第0代(gen0))模具。母模可以包括石英、熔凝硅石、硅、其他金属氧化物或塑料化合物。母模的倾斜结构可以被称为具有正(+)色调(positive(+)tone)。在框1120处，母模可以被用作用于直接模制倾斜的光栅的工作印模(即硬nil)。如上文描述的，当母模被用作工作印模时，母模的倾斜结构可以与期望的倾斜的光栅互补。可替代地，母模
可以用于制成混合印模作为用于模制倾斜的光栅的工作印模。取决于混合印模的代，混合印模的倾斜结构可以类似于期望的倾斜的光栅，或者可以与期望的倾斜的光栅互补。
127.在框1120处，倾斜的光栅可以使用如上文参考例如图9a和图9b描述的母模在例如树脂层中模制。树脂层可以涂覆在波导基板上，并且包括例如掺杂有含溶胶-凝胶前体的树脂的丙烯酸丁酯基树脂(例如，丁氧基钛)、含有用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(诸如丙烯酸)和/或高折射率纳米粒子(例如，tio2、gap、hfo2、gaas等)。母模可以被压靠在树脂层上。树脂层然后可以被固化，以固定由母模在树脂层内形成的结构。母模可以与树脂层分离，以在树脂层内形成倾斜的光栅。与母模的倾斜结构相比，树脂层内的倾斜的光栅可以具有负(-)色调。
128.可替代地，在框1130处，可以使用如上文参考例如图9a-图9d描述的母模或者参考例如图10a-图10d描述的工艺来制造具有倾斜结构的混合印模(例如，硬印模、软印模或硬-软印模)。例如，制造混合印模的工艺可以包括用软印模材料(诸如上文描述的树脂材料)来涂覆母模。然后，可以例如使用辊将软印模箔层压在软印模材料上。软印模箔和附接的软印模材料可以彼此牢固地附接，并且可以与母模分离以形成软印模。在框1130处制造的混合印模可以被称为第1代(或第1代(gen1))印模。与母模的倾斜结构相比，第1代印模内的倾斜的光栅可以具有负(-)色调。
129.在框1140处，倾斜的表面浮雕光栅可以使用如上文参考例如图9a-图9d描述的第1代印模来压印。例如，波导基板可以涂覆有压印树脂层。可以使用例如辊将第1代印模层压在压印树脂层上。在压印树脂层被固化之后，第1代印模可以与压印树脂层分层，以在压印树脂层内形成倾斜的光栅。压印树脂层内的倾斜的光栅可以具有正色调。
130.可替代地，在一些实施例中，在框1150处，可以使用第1代印模，使用与如上文参考例如图9a-图9d描述的用于制造第1代印模的工艺类似的工艺来制造第二代混合印模(第2代(gen2)印模)。第2代印模内的倾斜结构可以具有正色调。
131.在框1160处，可以使用如上文参考例如图9a-图9d描述的第2代印模来压印倾斜的表面浮雕光栅。例如，波导基板可以涂覆有压印树脂层。第2代印模可以使用例如辊被层压在压印树脂层上。在压印树脂层被固化之后，第2代印模可以与压印树脂层分层，以在压印树脂层内形成倾斜的光栅。压印树脂层内的倾斜的光栅可以具有负色调。
132.可替代地，在一些实施例中，在框1170处，可以使用第1代印模，使用与如上文参考例如图9a-图9d描述的用于制造第1代印模的工艺类似的工艺来制造第二代(第2代)子代模具(daughter mold)。第2代子代模具内的倾斜结构可以具有正色调。
133.在框1180处，可以使用第2代子代模具，使用与如上文参考例如图9a-图9d描述的用于制造第1代印模或第2代子代模具的工艺类似的工艺来制造第三代混合印模(第3代(gen 3)印模)。第3代印模内的倾斜结构可以具有负色调。
134.在框1190处，可以使用如上文参考例如图10a-图10d描述的第3代印模来压印倾斜的表面浮雕光栅。例如，波导基板可以涂覆有压印树脂层。第3代印模可以使用例如辊被层压在压印树脂层上。在压印树脂层被固化之后，第3代印模可以与压印树脂层分层，以在压印树脂层内形成倾斜的光栅。压印树脂层内的倾斜的光栅可以具有正色调。
135.即使在图11中未示出，在一些实施例中，第四代混合印模、第五代混合印模等可以使用类似的工艺来制造，并且可以被用作用于压印倾斜的光栅的工作印模。在一些实施方
式中，母模、第1代印模、第2代印模和第3代印模中的任何一个的表面可以在压印之前被涂覆或电镀，以减少模具的磨损，提高产品质量，并降低制造成本。例如，在一些实施方式中，可以在模制(或压印)工艺之前在模具上涂覆防粘层。
136.可选地，在框1195处，可以用折射率不同于倾斜光栅的材料(例如，压印树脂层)包覆倾斜的光栅。例如，在一些实施例中，高折射率材料，诸如氧化铪、氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物，可以用于包覆倾斜的光栅并且填充倾斜的光栅的脊之间的间隙。在一些实施例中，低折射率材料，诸如氧化硅、氟化镁、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)等，可以用于包覆倾斜的光栅并且填充倾斜的光栅的脊之间的间隙。
137.如上文所述，nil材料或nil材料混合物可以包含基础树脂、纳米粒子和自由基或酸产生剂。任选地，nil材料还可以包含用于改变nil材料的性质的添加剂和用于促进各种组分的混合的溶剂。nil材料可以通过例如旋涂、层压或油墨注入施加或沉积在基板或波导上，以形成nil材料层，该nil材料层可以使用本文所描述的nil工艺中的任何一种来模制，并通过光来固化，以形成nil模制纳米结构，诸如倾斜的表面浮雕光栅。
138.nil材料的基础树脂可以包括电磁辐射敏感材料，诸如光可固化光学材料。例如，基础树脂可以包括光敏或光可固化基础树脂，其可以包括具有一个或更多个芳族化合物(aromatic)和硫代芳族单元(thio-aromatic unit)的单体、低聚物或聚合物，诸如来自双芴(bisfluorene)、二硫戊环(dithiolane)、噻蒽(thianthrene)、双苯酚(biphenol)、邻苯基苯酚(o-phenylphenol)、苯氧基苄基(phenoxy benzyl)、双酚a(bisphenol a)、双酚f(bisphenol f)、苄基(benzyl)、苯酚(phenol)等的一种或更多种衍生物的单体、低聚物或聚合物。取决于形成基础树脂的基础材料，基础树脂可以具有例如约1.5和约1.8之间的折射率。
139.在一些实施例中，不同的基础树脂材料可以包括共同的基础材料和不同的官能团，包括但不限于交联官能团，诸如烯键式不饱和基团、环氧乙烷环等。根据基础树脂可能包含的交联官能团，可以通过自由基光聚合(radical photopolymerization)(诸如自由基光聚合(free radical photopolymerization)或受控的自由基光聚合)或离子光聚合(诸如阳离子光聚合或阴离子光聚合)来交联或聚合基础树脂。例如，可以通过自由基光聚合(诸如自由基光聚合)来对含有烯键式不饱和基团的基础树脂进行交联或聚合。为了促进包含烯键式不饱和基团的基础树脂的聚合，nil材料混合物还可以包括一种或更多种光自由基产生剂(prg)。在uv辐射下，prg产生自由基，该自由基引发基础树脂分子的烯键式不饱和基团的聚合或交联工艺。当基础树脂包含环氧乙烷环时，可以通过离子光聚合(诸如阳离子光聚合)交联或聚合基础树脂。为了促进包含环氧乙烷环的基础树脂的聚合，nil材料混合物还可以包括一种或更多种光酸产生剂(pag)。在uv辐射下，pag可以产生阳离子或酸，其引发基础树脂分子的环氧乙烷环的聚合或交联工艺。在传统的nil工艺中，通常可以使用均匀的uv光束来均匀地固化纳米压印材料、聚合单体和固定压印光栅。
140.图12a-图12c图示了根据某些实施例的用于固化光敏纳米压印材料的工艺的示例。为了在不同区域不同地改变压印光栅的折射率，用于固化压印光栅的光束可以具有期望的强度图案。固化可以在上述脱模工艺之前或之后进行。图12a示意性示出了光固化之前的纳米压印材料层1210。图12b示意性地示出了根据某些实施例的通过光图案固化的纳米
压印材料层1210。图12c示意性地示出了根据某些实施例的在被光图案固化一定时间段之后的纳米压印材料层1210。
141.在图12a-图12c所示的示例中，纳米压印材料层1210可以被沉积或涂覆在基板1220上。在一些实施例中，纳米压印材料层1210可以被预固化，例如，热固化或光固化，以形成聚合物基质1230，该聚合物基质1230可以为纳米压印材料中的颗粒和单体提供机械支撑。纳米压印材料层1210可以包括聚合物基质1230、单体1240以及分散或悬浮在聚合物基质1230中的一种或更多种聚合引发剂(polymerization initiating agents)(未示出)。单体1240可以是光敏的或光可聚合的，并且可以在聚合引发剂的帮助下在暴露于光时聚合。聚合物基质1230和单体1240可以具有不同的折射率。
142.可以由基质材料(或基质前体)的单体在第一聚合阶段形成纳米压印材料层1210中的聚合物基质1230，其中基质材料的单体可以通过例如热固化而固化以聚合，从而形成聚合物基质，而一些其它单体1240可以保持为单体。如图12a所示，单体1240可以以基本均匀的方式分散在聚合物基质1230中，从而使得纳米压印材料层1210可以具有基本均匀的折射率(至少在图12a所示的区域中)。纳米压印材料层1210的折射率可以通过随后暴露于固化光来调制。注意，图12a-图12c中所示的聚合物基质1230的网格图案仅用于说明目的，并不旨在将聚合物基质1230限制为任何特定的图案。类似地，图12a-图12c中所示的单体1240的布置并不旨在将聚合物基质1230中单体1240的实际布置限制为任何特定的图案。
143.如图12b所示，在暴露于诸如uv光图案的光束1250期间，单体1240可以根据光图案重新分布并在聚合物基质1230内部聚合。例如，单体1240可以朝着暴露于光图案中亮区的区域重新分布或扩散，并在这些暴露区域中聚合。单体1240的重新分布和聚合可导致纳米压印材料层1210的折射率基于光图案而改变。可以使用光掩模或通过两个干涉光束来生成光图案。例如，两个干涉光束可以在纳米压印材料层1210中生成干涉图案，在纳米压印材料层1210中产生暴露的亮区(例如，亮条纹)和未暴露的暗区(例如，暗条纹)。
144.如上所述，纳米压印材料层1210可以包括一种或更多种聚合引发剂。聚合引发剂可以包括光敏染料、引发剂、链转移剂等。单体1240可以与聚合引发剂反应并聚合。例如，对于暴露于光下的聚合，聚合引发剂可以包括光敏染料和引发剂。在暴露时，光敏染料可以吸收光并与引发剂相互作用，以将能量传递给引发剂，从而生成活性物质，根据聚合引发剂，该活性物质可以包括自由基、阳离子(酸)和/或阴离子(碱)。活性物质然后可以引发单体1240的聚合。
145.因为活性物质在暴露的亮区中生成，所以单体1240的聚合可以在暴露的亮区中发生。随着单体1240聚合，暴露的亮区中未反应单体1240的浓度可能降低，从而在暴露的亮区和未暴露的暗区之间形成单体1240的浓度或密度梯度，这又会导致未暴露的暗区中的单体1240重新分布或扩散到暴露的亮区，如图12b所示。
146.如图12c所示，在暴露于固化光图案(诸如光束1250)一定时间段之后，纳米压印材料层1210的折射率可以根据固化光图案而改变。例如，在暴露于光图案的亮条纹的区域1260中，折射率可以高于固化前的折射率。相反，在光图案的暗条纹中的区域1270中，折射率可能低于固化前的折射率。因此，在光固化之后，压印光栅可以在不同区域具有不同的折射率调制。
147.图13a图示了根据某些实施例的压印的倾斜表面浮雕结构1300的示例。表面浮雕
结构1300可以包括基层1310和光栅区域1320。基层1310和光栅区域1320可以包括相同的材料，诸如如上所述的用于纳米压印的有机树脂材料。光栅区域1320可以包括直的或倾斜的表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅在整个光栅区域1320上可以是均匀的或非均匀的。在图13a所示的示例中，表面浮雕光栅的配置可以在整个光栅区域1320上变化，以便改善使用表面浮雕结构1300的系统的性能。例如，表面浮雕光栅的区域1320a可以具有光栅占空比dc1，光栅占空比dc1不同于表面浮雕光栅的另一区域1320b的光栅占空比dc2。因此，光栅脊1322a和1322b的宽度和/或光栅槽1324a和1324b的宽度可以不同。区域1320a中的光栅周期和区域1320b中的光栅周期也可以不同。然而，因为表面浮雕光栅是使用相同的基本均匀混合的材料压印的，所以整个光栅区域1320上的折射率调制(例如，
△
n)可以是相同的。
148.图13b图示了根据某些实施例的压印的倾斜表面浮雕结构1350的示例，其具有使用掩模1360图案化的折射率调制。在使用掩模1360选择性地固化表面浮雕结构1300的某些区域之后，表面浮雕结构1350可以由表面浮雕结构1300制成。掩模1360可以包括基本透明的区域1362，该区域对于固化光(诸如uv光)具有高透射度。掩模1360还可以包括不透明区域1364，该不透明区域1364对于uv固化光基本上是不透明的。掩模1360可以与表面浮雕结构1300对准，然后可以暴露于均匀的uv固化光。uv固化光可以穿过透明区域1362，并聚合在透明区域1362下方的纳米压印材料中的单体，并增加透明区域1362下方的光栅脊1326的折射率。在不透明区域1364中，uv固化光可能不会穿过掩模1360，因此可能不会固化纳米压印材料，或者可能不会增加不透明区域1364下方的光栅脊1322的折射率。因此，表面浮雕结构1350可以在不同区域具有不同的折射率调制。例如，在图13b所示的示例中，表面浮雕结构1350可以包括交叉复用或交错的两个光栅，其中一个光栅可以对应于表面浮雕结构1350的在透明区域1362下方的区域，并且可以比第二光栅具有更高的折射率调制，该第二光栅对应于表面浮雕结构1350的在不透明区域1364下方的区域。
149.在一些实施例中，折射率调制图案可以比图13b所示的示例中的图案更复杂。复杂的折射率调制图案可以使用复杂掩模、使用多个掩模的多个固化工艺、灰度掩模或由两个光束之间的干涉或由衍射光学元件生成的结构光图案来形成。
150.图14a和图14b图示了根据某些实施例的使用掩模在压印的倾斜表面浮雕结构1400中图案化折射率调制(
△
n)的方法的示例。图14a图示了在纳米压印工艺和使用第一掩模1430的第一uv固化工艺之后的表面浮雕结构1400。表面浮雕结构1400可以包括基层1410和光栅区域1420。基层1410和光栅区域1420可以包括相同的材料，如上所述的用于纳米压印的有机树脂材料。光栅区域1420可以包括直的或倾斜的表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅在整个光栅区域1420上可以是均匀的或非均匀的。例如，在图14a所示的示例中，光栅区域1420可以包括多个倾斜的光栅脊1422，光栅脊1422可以具有相同或不同的宽度、深度、倾斜角等。因为表面浮雕光栅是使用相同的基本均匀混合的材料压印的，所以在纳米压印光刻之后，光栅区域1420的折射率调制(例如，
△
n)在整个光栅区域1420上可以是相同的。
151.第一掩模1430可以包括基本透明的区域1432，该基本透明的区域1432对于固化光(诸如uv光)具有高透射度。第一掩模1430还可以包括不透明区域1434，该不透明区域1434对于uv固化光基本上是不透明的。第一掩模1430可以与表面浮雕结构1400对准，然后可以暴露于均匀的uv固化光。uv固化光可以穿过透明区域1432，并聚合在透明区域1432下方的纳米压印材料中的单体，并增加透明区域1462下方的光栅脊1424中的折射率。在不透明区
域1464中，uv固化光可能不能穿过掩模1460，并因此不能固化纳米压印材料或增加不透明区域1464下方的光栅脊1422的折射率。因此，表面浮雕结构1450可以在不同区域具有不同的折射率调制。
152.在图14b所示的第二固化工艺中，可以使用第二掩模1440。第二掩模1440可以包括基本透明的区域1442，该基本透明的区域1442对于诸如uv光的固化光具有高透射度。第二掩模1440还可以包括不透明区域1444，该不透明区域1444对于uv固化光基本上是不透明的。第二掩模1440可以与表面浮雕结构1400对准，并且可以暴露于均匀的uv固化光。如上所述，uv固化光可以穿过透明区域1442，聚合在透明区域1442下方的纳米压印材料中的单体，并增加透明区域1442下方的光栅脊1426的折射率。在不透明区域1444中，uv固化光可能不能穿过第二掩模1440，因此不能固化纳米压印材料或增加不透明区域1464下方的光栅脊1422和1424的折射率。第二固化工艺中的暴露剂量可以不同于第一固化工艺中的暴露剂量，因此光栅脊1426中的折射率变化可以不同于光栅脊1424中的折射率变化。
153.因此，表面浮雕结构1400可以在不同区域具有不同的折射率调制。例如，在图14b所示的示例中，表面浮雕结构1400可以包括交叉复用或交错的三个光栅，其中第一光栅可以包括光栅脊1422并且可以具有最低折射率调制，第二光栅可以包括光栅脊1424并且可以具有最高折射率调制，以及第三光栅可以包括光栅脊1426并且可以具有中间折射率调制。如果使用更多掩模或更复杂的掩模来固化表面浮雕结构1400，则表面浮雕结构1400可以具有更复杂的折射率调制图案。
154.图15图示了根据某些实施例的、使用光图案在压印的倾斜表面浮雕结构1500中图案化折射率调制的方法的示例。表面浮雕结构1500可以包括基层1510和光栅区域1520。基层1510和光栅区域1520可以包括相同的材料，诸如如上所述的用于纳米压印的有机树脂材料。光栅区域1520可以包括直的或倾斜的表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅在整个光栅区域1520上可以是均匀的或非均匀的。例如，在图15所示的示例中，光栅区域1520可以包括多个倾斜的光栅脊1522，该多个倾斜的光栅脊1522可以具有相同或不同的宽度、深度、倾斜角等。因为表面浮雕光栅是使用相同的基本均匀混合的材料压印的，所以在纳米压印光刻之后，光栅区域1520的折射率调制(例如，
△
n)在整个光栅区域1520上可以是相同的。
155.具有如强度曲线1530所示的强度图案和光图案1540的uv固化光束可以用于选择性地固化表面浮雕结构1500的不同区域。光图案1540可以包括亮条纹1544和暗条纹1542，并且可以由两个干涉光束形成。表面浮雕结构1500可以暴露于光图案1540。表面浮雕光栅的一些光栅脊1524可以暴露于亮条纹1544，因此可以改变它们的折射率。未暴露于亮条纹1544的其他光栅条纹的折射率可以保持不变。因此，表面浮雕结构1500可以包括含有光栅脊1522的第一光栅和包含光栅脊1524并具有较高折射率调制的第二光栅，其中光栅脊1522和光栅脊1524交错。
156.图16图示了根据某些实施例的使用光图案在压印的倾斜表面浮雕结构1600中图案化折射率调制的方法的另一个示例。表面浮雕结构1600可以包括基层1610和光栅区域1620。基层1610和光栅区域1620可以包括相同的材料，诸如如上所述的用于纳米压印的有机树脂材料。光栅区域1620可以包括直的或倾斜的表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅在整个光栅区域1620上可以是均匀的或非均匀的。光栅区域1620可以包括多个倾斜的光栅脊1622，该多个倾斜的光栅脊1622可以具有相同或不同的宽度、深度、倾斜角等。因为表面浮
雕光栅是使用相同的基本均匀混合的材料压印的，所以在纳米压印光刻之后，光栅区域1620的折射率调制(例如，
△
n)在整个光栅区域1620上可以是相同的。
157.具有如强度曲线1630所示的强度图案的uv固化光束可以被用于选择性地固化表面浮雕结构1600的不同区域。例如，在包括光栅脊1622的区域中，uv固化光束的光强度可能较低，因此折射率变化可能非常小。在包括光栅脊1624的区域中，uv固化光束的光强度可能很高，因此折射率变化可能很大。这样，表面浮雕结构1600的折射率调制可以根据强度曲线1630所示的强度图案而改变。因此，折射率调制可以逐渐变化，而不是逐步改变。在一些实施例中，如果暴露剂量低于阈值，则折射率调制可以不变化。
158.图17图示了根据某些实施例的使用光图案在压印的倾斜表面浮雕结构1700中图案化折射率调制的方法的另一个示例。表面浮雕结构1700可以包括基层1710和光栅区域1720。基层1710和光栅区域1720可以包括相同的材料，诸如如上所述的用于纳米压印的有机树脂材料。光栅区域1720可以包括直的或倾斜的表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅在整个光栅区域1720上可以是均匀的或非均匀的。光栅区域1720可以包括多个倾斜的光栅脊1722，该多个倾斜的光栅脊1722可以具有相同或不同的宽度、深度、倾斜角等。因为表面浮雕光栅是使用相同的基本均匀混合的材料压印的，所以在纳米压印光刻之后，光栅区域1720的折射率调制(例如，
△
n)在整个光栅区域1720上可以是相同的。
159.具有如强度曲线1730所示的强度图案的uv固化光束可用于固化表面浮雕结构1700的区域。在图17所示的示例中，光栅脊1722的不同区域可以暴露于不同强度的uv光，并因此可以具有如上所述的与暴露剂量相对应的不同折射率变化。
160.在上面参考图13a-图17描述的实施例中，表面浮雕结构的折射率调制可以在x和/或y方向(例如，表面浮雕结构的长度和/或宽度方向)上变化。在一些实施例中，表面浮雕结构的折射率调制也可以在z方向(例如，厚度方向)上变化。例如，光栅脊的折射率在不同高度处可以不同。
161.图18图示了根据某些实施例的在压印的倾斜表面浮雕结构1800的厚度方向上改变折射率调制的方法的示例。表面浮雕结构1800可以包括基层1810和光栅区域1820。基层1810和光栅区域1820可以包括相同的材料，诸如如上所述的用于纳米压印的有机树脂材料。光栅区域1820可以包括直的或倾斜的表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅在整个光栅区域1820上可以是均匀的或非均匀的。光栅区域1820可以包括多个倾斜的光栅脊1822，该多个倾斜的光栅脊1822可以具有相同或不同的宽度、深度、倾斜角等。因为表面浮雕光栅是使用相同的基本均匀混合的材料压印的，所以在纳米压印光刻之后，光栅区域1820的折射率调制(例如，
△
n)在整个光栅区域1820上可以是相同的。
162.通过nil工艺制成的表面浮雕结构1800可以通过会聚或发散光束来固化，该光束可以沿着光束的传播方向(例如，z方向)具有不同的光强度。因此，光栅脊1822可以在光栅脊1822的不同高度处暴露于不同强度的光，并因此在光栅脊1822的不同高度处可以具有不同的折射率。会聚或发散光束可以是由透镜聚焦后的单个光束，或者可以是由多个透镜聚焦的多个光束，诸如由微透镜阵列1830形成的多个会聚光束1840。
163.在如图18所示的一些实施例中，表面浮雕结构1800可以通过会聚光束1840变迹。例如，会聚光束1840可以在厚度方向(例如，z方向)上会聚在每个光栅脊1822的中部，并且因此可以在每个光栅脊1822的中部具有最高的强度。光强度可以在每个光栅脊1822的中部
上方或下方的高度处降低。因此，折射率调制可能在每个光栅脊1822的中部最高，并且可能在z方向和-z方向上逐渐减小。在各种实施例中，会聚光束1840可以会聚在每个光栅脊1822的不同高度处，从而使得最大折射率调制可以发生在光栅脊1822的期望高度处。
164.图19a图示了根据某些实施例的具有在厚度方向上变化的折射率调制的压印的倾斜表面浮雕结构1900的示例。表面浮雕结构1900可以包括基层1910和光栅区域1920。基层1910和光栅区域1920可以包括相同的材料，诸如如上所述的用于纳米压印的有机树脂材料。光栅区域1920可以包括直的或倾斜的表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅在整个光栅区域1920上可以是均匀的或非均匀的。光栅区域1920可以包括多个倾斜的光栅脊1922，该多个倾斜的光栅脊1922可以具有相同或不同的宽度、深度、倾斜角等。因为表面浮雕光栅是使用相同的基本均匀混合的材料压印的，所以在纳米压印光刻之后，光栅区域1920的折射率调制(例如，
△
n)在整个光栅区域1920上可以是相同的。
165.如上所述，表面浮雕结构1900可以使用会聚光束在多个固化工艺中被固化，以形成具有不同折射率调制的多层光栅。例如，在每个固化工艺中，光束可以不同地聚焦，从而使得光束的聚焦点或会聚点的高度在不同的固化工艺中可以不同。在一个示例中，在第一固化工艺中，uv固化光束可以被聚焦，从而使得光束的最大强度在光栅脊1922的区域1922a处，以将区域1922a处的折射率改变第一量。光强度在其他区域可能较低，诸如低于阈值，因此可能不会改变其他区域的折射率。在第二固化工艺中，uv固化光束可以被聚焦，从而使得光束的最大强度在光栅脊1922的区域1922b处，以将区域1922b处的折射率改变第二量。在第三固化工艺中，uv固化光束可以被聚焦，从而使得光束的最大强度在光栅脊1922的区域1922c处，以将区域1922c处的折射率改变第三量。在第四固化工艺中，uv固化光束可以被聚焦，从而使得光束的最大强度在光栅脊1922的区域1922d处，以将区域1922d处的折射率改变第四量。这样，可以在表面浮雕结构1900中形成多个垂直复用光栅。
166.图19b图示了根据某些实施例的压印的倾斜表面浮雕结构1950的示例，其具有在厚度方向(例如，z方向)以及长度和/或宽度方向(例如，x和/或y方向)上变化的折射率调制。图19b图示了上面参考图18和图19描述的用于在厚度方向上改变折射率的技术可以与上面参考图13b-图17描述的用于在表面浮雕结构的长度和/或宽度方向上改变折射率的技术结合使用。
167.在图19b所示的示例中，表面浮雕结构1950可以使用nil工艺压印，并且可以包括基层1930和光栅区域1940。基层1930和光栅区域1940可以包括相同的材料，诸如如上所述的用于纳米压印的有机树脂材料。光栅区域1940可以包括直的或倾斜的表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅在整个光栅区域1940上可以是均匀的或非均匀的。光栅区域1940可以包括多个倾斜的光栅脊1942，该多个倾斜的光栅脊1942可以具有相同或不同的宽度、深度、倾斜角等。因为表面浮雕光栅是使用相同的基本均匀混合的材料压印的，所以在纳米压印光刻之后，光栅区域1940的折射率调制(例如，
△
n)在整个光栅区域1940上可以是相同的。
168.表面浮雕结构1950可以使用会聚光束在多个固化工艺中被固化，以形成具有不同折射率调制的多层光栅。在每个固化工艺中，可以使用包括基本透明区域1962和不透明区域1964的掩模1960来掩盖表面浮雕结构1950的一些区域，从而使得表面浮雕结构1950的这些区域在这些固化工艺期间可以不被固化来改变折射率。在每个固化工艺中，光束可以被不同地聚焦，从而使得光束的聚焦点或会聚点的高度在不同的固化工艺中可以是不同的。
169.例如，在第一固化工艺中，uv固化光束可以被聚焦，从而使得光束的最大强度在光栅脊1946的区域1946a处，以将一些光栅脊(例如，光栅脊1946)中的区域1946a处的折射率改变第一量。光强度在其他区域可能较低，诸如低于阈值，因此可能不会改变其他区域中的折射率。在第二固化工艺中，uv固化光束可以被聚焦，从而使得光束的最大强度在光栅脊1946的区域1946b处，以将一些光栅脊(例如，光栅脊1946)中的区域1946b处的折射率改变第二量。在第三固化工艺中，uv固化光束可以被聚焦，从而使得光束的最大强度在光栅脊1946的区域1946c处，以将一些光栅脊(例如，光栅脊1946)中的区域1946c处的折射率改变第三量。在第四固化工艺中，uv固化光束可以被聚焦，从而使得光束的最大强度在光栅脊1946的区域1946d处，以将一些光栅脊(例如，光栅脊1946)中的区域1946d处的折射率改变第四量。这样，可以在表面浮雕结构1950中形成多个垂直和/或水平复用光栅。
170.因此，表面浮雕结构1950的折射率调制可以在厚度方向以及长度和/或宽度方向上变化。光束聚焦深度、光束强度分布、掩模图案等的其他组合也可以被用于在表面浮雕结构的厚度、长度和宽度方向上实现期望的折射率调制图案或分布。
171.图20a-图20c图示了根据某些实施例的用于图案化压印的倾斜表面浮雕结构的折射率调制的掩模或光图案的示例。例如，在图20a所示的示例中，掩模2000可以包括环形透明区域2020和不透明区域2010。在图20b所示的示例中，掩模2030可以包括沿y方向布置的条形透明区域2050和不透明区域2040。在图20c所示的示例中，掩模2060可以包括沿x方向和y方向布置的透明区域2080和不透明区域2070。图20a-20c中所示的示例仅用于说明目的。在各种实施例中，可以使用任何其他一维、二维或三维图案(例如，灰度掩模)。在一些实施例中，可以通过例如干涉光束或衍射光学元件而不是使用掩模来形成与图20a-20c所示图案类似的具有亮区和暗区的光图案。
172.图21是流程图2100，图示了根据某些实施例的用于使用纳米压印光刻和选择性固化制造具有图案化折射率调制的表面浮雕光栅的方法的示例。在框2110，包括多个光栅脊的表面浮雕结构可以被压印在有机材料层中，如上面参考例如图8a-图11所述。有机材料层可以包括光可固化的基础树脂，该基础树脂可以包括支撑基质和分散在支撑基质中的单体、低聚物或聚合物。有机材料层还可以包括聚合引发剂和具有高折射率的纳米粒子，如上面参考图12所述。有机材料层可以沉积在基板上，并且可以通过印模或模具压靠。
173.在框2120，可以生成包括亮区和暗区的第一光图案，例如，使用在光束的横截面中具有均匀强度的光束来照射光掩模或衍射光学器件，或者使用两个相干光束来生成干涉图案。光图案的强度可以在一维、二维或三维(例如灰度)上变化，诸如表面浮雕结构的厚度、长度或宽度方向。在一些实施例中，光图案可以包括准直光束或会聚或发散光束。
174.在框2130，在框2110压印的表面浮雕结构可以暴露于第一光图案。第一光图案可以聚合多个光栅脊的在亮区中的一组光栅脊中的单体，并且由于单体的扩散和聚合，增加多个光栅脊的在亮区中的该组光栅脊的折射率。折射率变化的量可以取决于暴露剂量和有机材料层中单体的浓度。例如，由将表面浮雕结构暴露于第一光图案引起的折射率变化可以大于0.01。
175.可选地，在框2140，可以使用与用于生成第一光图案的技术类似的技术来生成包括亮区和暗区的第二光图案。第二光图案可以具有不同于第一光图案的亮区的亮区。在一些实施例中，可以使用也用于生成第一光图案但具有不同移位或偏移的相同掩模来生成第
二光图案。可选地，在框2150，表面浮雕结构可以暴露于第二光图案，以基于第二光图案修改表面浮雕结构的不同区域中的折射率。第二光图案的暴露剂量可以不同于框2130处的暴露剂量，因此可以引起不同量的折射率变化。
176.可选地，在框2160，表面浮雕结构可以暴露于具有均匀强度的光束，以均匀地固化表面浮雕结构并聚合有机材料层中的剩余单体。
177.可选地，在框2170，表面浮雕结构可以包覆有折射率不同于上述多个光栅脊的材料。例如，在一些实施例中，高折射率材料(诸如氧化铪、氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅)或高折射率聚合物可以被用于包覆倾斜的光栅并且填充倾斜的光栅脊之间的间隙。在一些实施例中，低折射率材料(诸如氧化硅、氟化镁、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)等)可以被用于包覆倾斜的光栅并且填充倾斜的光栅脊之间的间隙。
178.注意，图21所示的具体操作提供了根据各种实施例的制造具有非均匀折射率调制的压印表面浮雕光栅的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其他操作序列。例如，替代实施例可以以不同的顺序执行上述操作。此外，图21所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以以适合于各个步骤的各种顺序来执行。此外，根据特定的应用，可以添加附加的操作或者可以省略一些操作。
179.本发明的实施例可以用于实现人工现实系统的部件，或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(vr)、混合现实(mr)、混杂现实或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容组合地生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。另外地，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(hmd)、独立的hmd、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
180.图22是用于实现本文公开的示例中的一些示例的示例近眼显示器(例如，hmd设备)的示例电子系统2200的简化框图。电子系统2200可以用作上述hmd设备或其他近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统2200可以包括一个或更多个处理器2210和存储器2220。处理器2210可以被配置成执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如适合于在便携式电子设备内实现的通用处理器或微处理器。处理器2210可以与电子系统2200内的多个部件通信地耦合。为了实现这种通信耦合，处理器2210可以通过总线2240与其他图示的部件通信。总线2240可以是适用于在电子系统2200内传递数据的任何子系统。总线2240可以包括多个计算机总线和用于传递数据的附加电路。
181.存储器2220可以耦合到处理器2210。在一些实施例中，存储器2220可以提供短期和长期存储并且可以被划分成几个单元。存储器2220可以是易失性的(诸如静态随机存取存储器(sram)和/或动态随机存取存储器(dram))和/或非易失性的(诸如只读存储器(rom)、闪存等)。此外，存储器2220可以包括可移动存储设备，诸如安全数字(sd)卡。存储器2220可以为电子系统2200提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在
一些实施例中，存储器2220可以分布到不同的硬件模块中。指令和/或代码集可以存储在存储器2220上。指令可以采用可由电子系统2200执行的可执行代码的形式，和/或可以采用源代码和/或可安装代码的形式，源代码和/或可安装代码(例如，使用任何各种普遍可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等)在编译和/或安装在电子系统2200上时可以采用可执行代码的形式。
182.在一些实施例中，存储器2220可以存储多个应用模块2222至2224，应用模块2222至2224可以包括任意数量的应用。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块2222-2224可以包括将由处理器2210执行的特定指令。在一些实施例中，特定应用或应用模块2222-2224的部分可以由其他硬件模块2280执行。在特定实施例中，存储器2220可以另外包括安全存储器，安全存储器可以包括附加的安全控制以防止对安全信息的复制或其他未经授权的访问。
183.在一些实施例中，存储器2220可以包括加载在其中的操作系统2225。操作系统2225可以操作以启动对由应用模块2222-2224提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块2280以及与无线通信子系统2230的接口，无线通信子系统2230可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统2225可以适用于在电子系统2200的部件上执行其他操作，包括线程管理(threading management)、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。
184.无线通信子系统2230可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(诸如设备、ieee 802.11设备、wi-fi设备、wimax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统2200可以包括作为无线通信子系统2230的一部分或作为耦合到系统的任何部分的单独部件的用于无线通信的一个或更多个天线2234。根据期望的功能，无线通信子系统2230可以包括单独的收发器以与基站收发台和其他无线设备和接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(诸如无线广域网(wwan)、无线局域网(wlan)或无线个域网(wpan))进行通信。wwan可以是例如wimax(ieee 802.16)网络。wlan可以是例如ieee 802.11x网络。wpan可以是例如蓝牙网络、ieee 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术也可以用于wwan、wlan和/或wpan的任何组合。无线通信子系统2230可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他设备交换数据。无线通信子系统2230可以包括用于使用天线2234和无线链路2232传输或接收数据(诸如hmd设备的标识符、定位数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统2230、处理器2210和存储器2220可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的一个或更多个装置的至少一部分。
185.电子系统2200的实施例还可以包括一个或更多个传感器2290。传感器2290可以包括例如图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近度传感器(proximity sensor)、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器或可操作以提供感测输出(sensory output)和/或接收感测输入的任何其他类似模块，诸如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，传感器2290可以包括一个或更多个惯性测量单元(imu)和/或一个或更多个位置传感器。基于从一个或更多个位置传感器接收到的测量信号，imu可以生成指示相对于hmd设备的初始位置的hmd设备的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于hmd设备的运动生成一个或更多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于，一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力
计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于imu的误差校正的一种类型的传感器或者它们的一些组合。位置传感器可以位于imu的外部、imu的内部或者它们的某种组合。至少一些传感器可以使用结构光图案进行感测。
186.电子系统2200可以包括显示模块2260。显示模块2260可以是近眼显示器，并且可以向用户图形地呈现来自电子系统2200的信息，诸如图像、视频和各种指令。这种信息可以源自一个或更多个应用模块2222-2224、虚拟现实引擎2226、一个或更多个其他硬件模块2280、它们的组合或用于(例如，通过操作系统2225)为用户解析图形内容的任何其他合适的装置。显示模块2260可以使用液晶显示(lcd)技术、发光二极管(led)技术(包括例如，oled、iled、μled、amoled、toled等)、发光聚合物显示(lpd)技术或某种其他显示技术。
187.电子系统2200可以包括用户输入/输出模块2270。用户输入/输出模块2270可以允许用户向电子系统2200发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。用户输入/输出模块2270可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括触摸屏、触摸板、麦克风、按钮、拨号盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到电子系统2200的任何其他合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块2270可以根据从电子系统2200接收到的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求或已经执行了动作请求时提供触觉反馈。
188.电子系统2200可以包括相机2250，相机2250可以用于拍摄用户的照片或视频，例如用于跟踪用户的眼睛位置。相机2250还可以用于拍摄例如用于vr、ar或mr应用的环境的照片或视频。相机2250可以包括例如具有数百万或数千万像素的互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。在一些实施方式中，相机2250可以包括可用于捕获3d图像的两个或更多个相机。
189.在一些实施例中，电子系统2200可以包括多个其他硬件模块2280。每个其他硬件模块2280可以是电子系统2200内的物理模块。虽然其他硬件模块2280中的每一个可以被永久地配置为结构，但是其他硬件模块2280中的一些可以被临时配置为执行特定功能或临时被激活。其他硬件模块2280的示例可以包括，例如，音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(nfc)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施例中，其他硬件模块2280的一个更或多个功能可以在软件中实现。
190.在一些实施例中，电子系统2200的存储器2220还可以存储虚拟现实引擎2226。虚拟现实引擎2226可以执行电子系统2200内的应用，并且从各种传感器接收hmd设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的某种组合。在一些实施例中，虚拟现实引擎2226接收到的信息可以用于产生到显示模块2260的信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎2226可以为hmd设备生成反映用户在虚拟环境中移动的内容。此外，虚拟现实引擎2226可以响应于从用户输入/输出模块2270接收到的动作请求而在应用内执行动作并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。在一些实施方式中，处理器2210可以包括可以执行虚拟现实引擎2226的一个或更多个gpu。
191.在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个设备上或在可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现。例如，在一些实施方式中，一些部件或模块，诸如gpu、虚
拟现实引擎2226和应用(例如，跟踪应用)，可以在与头戴式显示设备分离的控制台上实现。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到一个以上的hmd或支持一个以上的hmd。
192.在替代配置中，在电子系统2200中可以包括不同的和/或附加的部件。类似地，一个或更多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在多个部件之中。例如，在一些实施例中，电子系统2200可以被修改为包括其他系统环境，诸如ar系统环境和/或mr环境。
193.上文讨论的方法、系统和装置是示例。在适当的情况下，各种实施例可以省略、替换或添加各种过程或部件。例如，在可选择的配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中被组合。实施例的不同方面和要素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，并且因此许多要素是示例，其不将本公开内容的范围限制于那些具体示例。
194.在描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，为了避免模糊实施例，熟知的电路、过程、系统、结构和技术已经被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例性的实施例，并且不意图限制本发明的范围、适用性或配置。而是，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述(enabling description)。在不脱离本发明的范围的情况下，可以在要素的功能和布置方面进行各种改变。
195.此外，一些实施例被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来实现方法的实施例。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以被存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。
196.对于本领域技术人员来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的硬件或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的要素。此外，可以采用到其他计算设备诸如网络输入/输出设备的连接。
197.参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以用于执行。另外地或可替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理存储介质和/或有形存储介质。这样的介质可以采取各种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁介质和/或光学介质(诸如光盘(cd)或数字多功能盘(dvd))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、ram、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、闪存-eprom、任何其他存储器芯片或盒、如下文描述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(app)、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任何组合。
198.本领域技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用各种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在整个上文的描述中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任何组合来表示。
199.如本文使用的术语“和”以及“或”可以包括各种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这样的术语的上下文。通常，“或”如果用于关联列表，诸如a、b或c，则意图表示a、b和c(此处以包含的意义使用)以及a、b或c(此处以排他的意义使用)。此外，如本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“......中的至少一个(at least one of)”如果用于关联列表，诸如a、b或c，则可以被解释为表示a、b和/或c的任何组合，诸如a、ab、ac、bc、aa、abc、aab、aabbccc等。
200.此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在本公开内容中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以被存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在相同的处理器上或者以任何组合在不同的处理器上实现。
201.在设备、系统、部件或模块被描述为被配置成执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程以(诸如通过执行计算机指令或代码)执行操作、或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核、或者它们的任何组合来完成这样的配置。过程可以使用各种技术(包括但不限于用于过程间通信的常规技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。
202.因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离在权利要求中阐述的更广泛的范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些实施例并不意图是限制性的。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。